TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Generatorschalter gemäss dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 . Generatorschalter mit Kühlvorrichtungen zur Kühlung von auf Hochspannungspotential liegenden Stromleitern nutzen die vorteilhaften Eigenschaften eines Kühlmittels/Arbeitsmediums aus, das beim Übergang in die Dampfphase eine grosse Wärmemenge aufnehmen kann. Die Kühlvorrichtung weist einen mit dem Stromleiter wärmeleitend verbundenen und im Betrieb auf Hochspannungspotential liegendem Verdampfer auf sowie einen auf Erdpotential liegenden Kondensator, sowie ein Leitungssystem, durch welches kondensiertes flüssiges Kühlmittel vom Kondensator zum Verdampfer und Kühlmitteldampf (dampfförmiges Kühlmittel) vom Verdampfer zum Kondensator geführt ist. Ferner weist die Kühlvorrichtung einen der Führung von flüssigem Kühlmittel und von Kühlmitteldampf dienenden Isolator auf, welcher zur Trennung von Erd- und Hochspannungspotential dient. Da das Kühlmittel beim Durchgang durch den Isolator starken elektrischen Feldern ausgesetzt ist, ist das Kühlmittel ein dielektrisch hoch belastbares Fluid, wie etwa eine Flüssigkeit auf der Basis eines fluorierten Kohlenwasserstoffs, Hydro-Fluor-Ether, beispielsweise„HFE-7100" der Firma 3M, Ammoniak oder Aceton.

STAND DER TECHNIK

Ein Generatorschalter mit einer Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art ist beispielsweise offenbart in EP 1 657 731 B2 oder der WO 2014/048680 A1 . Die von dort bekannte Kühlvorrichtung weist ein Wärmerohr (heat pipe) auf, in dem die flüssige und die dampfförmige Phase des Kühlmittels in einem einzigen Behälter zwischen einem Verdampfer und einem Kondensator bewegt werden. Der thermische Wirkungsgrad einer solchen Kühlvorrichtung ist vergleichsweise gering ist. Zudem benötigt diese Vorrichtung ein dielektrisch hoch beanspruchbares Hilfsgas, wie Luft, Stickstoff oder Schwefelhexafluorid, dessen Füllstand ebenso wie der Füllstand des Kühlmittels zu überwachen sind. DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Generatorschalter der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Kühlvorrichtung sich durch einen hohen Wirkungsgrad und eine grosse Betriebssicherheit auszeichnet.

Diese Aufgabe wird in einer Basisausführungsform dadurch gelöst, dass der Generatorschalter eine Kapselung aufweist, welche im Betrieb des Generatorschalters auf Erdpotential liegt, sowie einen innerhalb der Kapselung elektrisch isoliert angeordneter Stromleiter (5), der im Betrieb des Generatorschalters auf Hochspannungspotential liegt.

Unter dem Begriff„Hochspannung" wird ein mit hoher Spannung und/oder hohen Strömen belasteter Stromleiter verstanden. Die Nennspannungen können bis zu mehreren 100 kV betragen. Typische Werte der Nennspannung liegen jedoch im Allgemeinen zwischen einigen kV und einigen 10 kV bei Nennströmen in der Grössenordnung von mehreren 10 kA. Daher liegt der Verdampfer 10 auf Hochspannungspotential. Der Kondensator befindet sich hingegen auf Erdpotential oder höchstens auf einem gegenüber dem Verdampfer um mindestens eine Grössenordnung niedrigeren Potential, von höchstens einigen wenigen kV. An der Isolierstrecke des Isolators fällt daher weitgehend die gesamte Hochspannung ab. Die Kapselung eines Generatorschalters kann auch elektrisch isoliert zum tatsächlichen Erdpotential angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform sei nachfolgend dennoch vom Begriff „Erdpotential" umfasst, dass ihr Spannungspotential lediglich einige wenige kV beträgt. Je nach Generatorschalter kann der Isolator selber mit der Kapselung verbunden sein (also auf Erdpotential liegen) oder mit dem Stromleiter verbunden sein (also auf Hochspannungspotential liegen).

Der Generatorschalter weist weiter eine gravitationsgetrieben Kühlvorrichtung mit einem Verdampfer und einem oberhalb des Verdampfers angeordneten Kondensator und einem Kühlmittel auf. Unter dem Begriff „oberhalb" wird dabei ein Höhenversatz in einer Richtung entgegen der Wirkrichtung der Gravitation verstanden. Weiter ist der Verdampfer wärmeleitend mit dem Stromleiter verbunden ist und liegt damit im Betrieb des Generatorschalters auf Hochspannungspotential. Der Kondensator ist mit der Kapselung, also dem Gehäuse des Generatorschalters verbunden ist und liegt damit im Betrieb des Generatorschalters auf Erdpotential. Der Verdampfer ist mit dem Kondensator über ein Leitungssystem mit einem Isolator verbunden, so dass im Betrieb des Generatorschalters Kühlmitteldampf vom Verdampfer zum Kondensator und flüssiges Kühlmittel vom Kondensator zum Verdampfer führbar ist. Der Isolator weist eine dielektrische Isolierstrecke mit einem oberen Ende auf. Das Leitungssystem weist einen Kühlmittelleiter auf, welcher einen Kühlmittelausgang des Kondensators mit einem Kühlmitteleingang des Verdampfers verbindet und einen Kühlmitteldampfleiter, welcher einen Kühlmitteldampfausgang des Verdampfers mit einem Kühlmitteldampfeingang des Kondensators verbindet, derart dass ein geschlossener ringförmiger Kühlkreislauf (im Englischen closed loop type thermosyphon genannt) gebildet ist. Im Betrieb des Generatorschalters ist ein Pegel des flüssigen Kühlmittels im Leitungssystem bei ruhender Kühlvorrichtung mindestens so hoch ist, wie das obere Ende der Isolierstrecke im Isolator. Unter dem Begriff „oberes Ende" wird dabei ein dem Kondensator zugewandtes Ende der Isolierstrecke im Isolator verstanden.

Als Kühlmittel wird ein Hydrofluorcarbon, wie zum Beispiel „R-245fa" der Fa. Honeywell, oder ein Hydrofluorolefin, wie zum Beispiel „R-1233 zd (E)" der Fa. Honeywell eingesetzt. Auch eine Mischung beider Kühlmittel ist zu diesem Zweck geeignet. Der Isolator weist einen im polymeren, gegebenenfalls füllstoff- oder faserverstärkten Isolierkörper auf, welcher beispielsweise aus einem Giessharz gefertigt ist. Alternativ dazu kann der Isolator einen keramischen Isolierkörper aufweisen. Je nach Ausführungsform beinhaltet der Isolierkörper Epoxid, das heisst ein Epoxidharz. Solche Isolatoren erleichtern ein Einbinden von Anschlusstücken zur Verbindung des Isolators mit dem Kühlmittelleiter und dem Kühlmitteldampfleiter. In weiteren Ausführungsformen ist der Isolator mittels Druckgelierverfahren/APG (automatic pressure gelling), Einspritzgiessen eines thermoplastischen Kunststoffs oder eines Giessprozesses wie zum Beispiel Vakuumgiessen (vacuum casting) herstellbar.

Ein grosser Vorteil des Generatorschalters mit einer solchen Kühlvorrichtung liegt darin, dass er lediglich ein Kühlmittel als arbeitsmedium, jedoch kein zusätzliches Hilfsgas mehr benötigt. Dieses Kühlmittel wird in seiner dampfförmigen Phase zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator in einem Kühlmitteldampfleiter geführt, der unabhängig ist von einem Kühlmittelleiter, in dem das kondensierte Kühlmittel in seiner flüssigen Phase von Kondensator zum Verdampfer zurückströmt. Das in den Verdampfer zurückfliessende Kühlmittel in flüssiger Form ist getrennt vom in den Kondensator aufsteigenden Kühlmitteldampf geführt, so dass einerseits zuverlässig vermieden werden kann dass der aufsteigende Kühlmitteldampf vom zurückfließende Kühlmittel vor dem Eintritt in den Kondensator heruntergekühlt wird. Andererseits wir durch die Anordnung in einem geschlossenen ringförmigen Kühlkreislauf sichergestellt, dass der aufsteigende Kühlmitteldampf das zurückfließende Kühlmittel nicht vorwärmt. Diese Massnahmen führen im Vergleich mit klassischen Wärmerohren (heat pipes) zu einem deutlich besseren thermischen Wirkungsgrad.

Da der Pegel des flüssigen Kühlmittels im Leitungssystem bei ruhender Kühlvorrichtung stets mindestens so hoch ist, wie das obere Ende der Isolierstrecke im Isolator, füllt das flüssige Kühlmittel zudem im Stillstand der Kühlvorrichtung die im Isolator vorgesehene Isolierstrecke, wodurch eine Herabsetzung der dielektrischen Festigkeit des Isolators auch bei tiefen Temperaturen vermieden wird. Unter dem Begriff tiefe Temperaturen werden Temperaturen verstanden, bei denen sich der Stromleiter nicht auf Betriebstemperatur befindet, sondern weitgehend auf Umgebungstemperatur. Dementsprechend wird so auch eine sehr hohe Betriebssicherheit der Kühlvorrichtung und damit des Generatorschalters erreicht.

Falls erforderlich ist der Kühlmitteldampfleiter gegenüber dem Kühlmittelleiter thermisch isoliert ausgeführt. In einer geometrisch bevorzugten Ausführungsform weist der Isolator einen als erster Isolierkanal ausgebildeten Abschnitt des Kühlmittelleiters und einen als zweiter Isolierkanal ausgebildeten Abschnitt des Kühlmitteldampfleiters auf. Je nach Ausführungsform kann der Isolator auch zwei örtlich voneinander getrennte Teilisolatoren enthalten, welche gegebenenfalls jeweils als flexibler Schlauch aus einem Isoliermaterial ausgebildet sind. Der Isolator kann mit Vorteil einen als erster Isolierkanal ausgebildeten Abschnitt des Kühlmittelleiters und einen als zweiter Isolierkanal ausgebildeten Abschnitt des Kühlmitteldampfleiters aufweisen und in der Kühlvorrichtung kann ein der Bildung des Kühlmittelpegels dienendes und auf dem Potential des Kondensators gehaltenes Kühlmittelreservoir vorgesehen sein, welches mit den beiden Isolierkanälen kommuniziert. Bei dieser Ausbildung der Kühlvorrichtung wird mit einfachen Mitteln erreicht, dass das Kühlmittel den Verdampfer und die Isolierstrecke flutet, da das Kühlmittelreservoir sich ja auf einem höheren Niveau als die Isolierstrecke befindet - also der Pegel des flüssigen Kühlmittels mindestens das gleiche Niveau wie das obere Ende der Isolierstrecke aufweist. Dies ist vorteilhaft, weil so lediglich der leicht zu kontrollierende Pegel des flüssigen Kühlmittels im Kühlreservoir zu überwachen ist. Zudem gewährleistet das Kühlmittelreservoir eine Kompensation von allfälligem Kühlmittelverlust über einen grossen Zeitraum.

Je nach Ausführungsform ist das Kühlmittelreservoir im Kondensator angeordnet und kann bei Bedarf einen dem Auffangen des kondensierten Kühlmitteldampfes dienenden Sammelkanal aufweisen.

Geometrisch einfache Kühlvorrichtungen sind realisierbar, wenn das Kühlmittelreservoir im Kühlmittelleiter angeordnet ist. In einer besonders einfachen Ausführungsform ist das Kühlmittelreservoir durch einen Rohrabschnitt mit einem Durchmesser realisiert, welcher viel grösser als der Durchmesser des restlichen Kühlmittelleiters ist.

Falls erforderlich, ist das Kühlmittelreservoir mit dem Stromleiter verbunden, so dass das Kühlmittelreservoir (50) auf dem Hochspannungspotential des Stromleiters ist.

Der Isolator kann übrigens unabhängig von der Ausführungsform einteilig oder mehrteilig sein. Um eine optimale Einsetzbarkeit zu gewährleisten weist der Isolator pro Isolierkanal je einen die beiden Isolierkanäle aufnehmenden Isolierkörper und ein mit dem Stromleiter verbundenes erstes Anschlussstück und ein mit dem Kondensator verbundenes zweites Anschlussstück auf. Um die Anschliessbarkeit zu erleichtern, weist der Isolator mit Vorteil einen die beiden Isolierkanäle aufnehmenden Isolierkörper und pro Isolierkanal je zwei Anschlussstücke auf. Dabei ist ein erstes Anschlussstück der beiden Anschlussstücke mit dem Stromleiter verbunden, beispielsweise auf ihm fixiert ist und mindestens einen auf Hochspannungspotential führbaren und mit dem zweiten Isolierkanal kommunizierenden ersten Kühlmitteldampfanschluss sowie mindestens einen auf Hochspannungspotential führbaren und mit dem ersten Isolierkanal kommunizierenden ersten Kühlmittelanschluss aufweist. Weiter ist das zweite Anschlussstück mit dem Kondensator verbundenen und weist mindestens einen auf Erdpotential führbaren und mit dem ersten Isolierkanal kommunizierenden zweiten Kühlmittelanschluss und mindestens einen auf Erdpotential führbaren und mit dem zweiten Isolierkanal kommunizierenden zweiten Kühlmitteldampfanschluss auf. Ein derart ausgebildeter Isolator ermöglicht die Zusammenführung des Kühlmitteldampfs auf dem Strömungsweg zwischen mindestens zwei Verdampfern und einem Kondensator oder gegebenenfalls auch mehr als einem Kondensator. Die Anzahl an Bauteilen, wie Isolatoren, Kühlmitteldampfanschlüsse, Kühlmittelanschlüsse, Kondensatoren und Leitungsabschnitten ist dadurch erheblich reduzierbar. Daher werden die Kosten der Kühlvorrichtung wesentlich gesenkt und infolge reduzierter Leckagewahrscheinlichkeit deren Betriebssicherheit beachtlich erhöht. Zugleich werden auch noch die Montage und Wartung der Kühlvorrichtung erleichtert.

Bei besonders herstellungsfreundlichen Ausführungsformen des Isolators sind die beiden Anschlüssstücke am oberen und unteren Ende der Isolierstrecke aus Metall gefertigt . Je nach Einsatzbedingungen kann das Metall Aluminum, Kupfer, Stahl (inkl. rostfreier Stahl) oder Legierungen davon, aber auch nichtmetallische Werksstoffe beinhalten. Zur dielektrischen Optimierung sind dabei die von aussen in den ersten oder zweiten Isolierkanal geführten Enden der Anschlüsse jeweils als Feldsteuerelektroden ausgebildet. Bei komplexeren Kühlsystemen ist mindestens das erste Anschlussstück oder das zweite Anschlussstück als Verzweigungsstücke mit einer Mehrzahl von Kühlmitteldampfanschlüssen beziehungsweise einer Mehrzahl von Kühlmittelanschlüssen ausgeführt. Das erste Anschlussstück kann etwa mindestens einen gewinkelt ausgebildeten Leitungszusammenschluss aufweisen, in den zwei Kühlmitteldampfanschlüsse integriert sind.

Bei Bedarf weist das erste Anschlussstück mindestens eine gewinkelt ausgebildete Leitungsverzweigung auf, beispielsweise eine Y-förmige Geometrie, in welcher die zwei Kühlmittelanschlüsse in die Leitungsverzweigung integriert sind.

Sofern sich die Kühlvorrichtung nicht mit einem einzigen Verdampfer realisieren lässt, kann der Verdampfer eine Gruppe von mindestens zwei Teilverdampfern mit jeweils mindestens zwei Anschlüssen enthalten. Der Begriff .Verdampfer' wird in diesem Fall als Gesamtverdampfer verstanden. Dabei bildet ein erster Anschluss der beiden Anschlüsse eines ersten Teilverdampfers der mindestens zwei Teilverdampfer den Kühlmitteleingang des (Gesamt-)Verdampfers bildet, während ein erster Anschluss der mindestens zwei Anschlüsse eines zweiten Teilverdampfers der mindestens zwei Teilverdampfer den Kühlmitteldampfausgang des (Gesamt-)Verdampfers bildet und ein zweiter Anschluss des ersten Teilverdampfers mit einem zweiten Anschluss des zweiten Teilverdampfers oder mit einem Anschlüsse eines dritten Teilverdampfer der Gruppe verbunden ist.

Wenn beispielsweise die Kühleffizient der Umgebungsluft im Betrieb des Generatorschalters unbefriedigend ist, kann der Kondensator als Wärmetauscher ausgebildet sein und kann zwei durch eine thermisch leitende Wand voneinander getrennte Räume aufweisen, von denen ein erster Raum der beiden Räume Teil eines Primärkreises für das Kühlmittel und den Kühlmitteldampf ist und mit dem Kühlmittelausgang und dem Kühlmitteldampfeingang des Kondensators kommuniziert, während der zweite Raum Teil eines Sekundärkreises für ein wärmespeicherndes Fluid ist und zwei mit einem Wärmeverbraucher verbindbare Fluidanschlüsse aufweist. Ein in den Wärmetauscher integrierter Sekundärkreis ermöglicht eine Regulierung des thermischen Widerstands der Kühlvorrichtung unabhängig zur Umgebungstemperatur. Der zu kühlende Stromleiter kann daher in einfacher Weise unterhalb einer definierten Grenztemperatur gehalten werden. Der Sekundärkühlkreis kann beispielsweise mit einem von einem Ventilator erzwungenen Luftstrom oder einem zweiten Kältemittelkühlkreislauf realisiert sein. Dieser zweite Kältemittelkühlkreislauf kann beispielsweise mit einer Flüssigkeitskühlung, etwa Brauchwasser realisiert sein.

Sofern es erforderlich sein sollte, den Primärkühlkreis auch elektrisch vom Sekundärkühlkreis zu trennen, kann die thermisch leitende Wand elektrisch isolierend ausgebildet sein. Da der Pegelstand des Kühlmittels im Leitungssystem bei ruhender Kühlvorrichtung entscheidend für die Betriebssicherheit des Generatorschalters ist, ist es vorteilhaft, wenn die Kühlvorrichtung einen Sensor zur Erfassung des Pegels oder zumindest eines vordefinierten Mindestpegelstandes des Kühlmittels (4) in flüssigem Zustand - also des verflüssigten Kühlmittels - aufweist. Um eine Ferndiagnose oder Fernüberwachung des Generatorschalters vornehmen zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Sensor eine Netzwerkschnittstelle zur Einbindung in ein Datennetzwerk aufweist. Damit ist der Sensor operativ derart in das Datennetzwerk einbindbar, dass er zumindest eine der folgenden Funktionen wahrnehmen kann:

a) ein Senden einer Statusinformation des Sensors an das Datennetzwerk; b) ein Ausführen eines Befehls vom Datennetzwerk.

Dabei ist das Datennetzwerk insbesondere ein LAN (local area network), ein WAN (wide area network) oder das Internet. Das Datennetzwerk, insbesondere ein globales Datennetzwerk, kann ein TCP/IP Netzwerk wie das Internet sein. Das Datennetzwerk kann bei Bedarf verteilte Speichereinheiten wie etwa eine Cloud (Datencloud) beinhalten. Dabei kann die Cloud eine öffentliche, eine private Cloud, eine hybride Cloud oder eine Community cloud sein.

Unter der Funktion a) wird beispielsweise ein Senden eines Signals beim Erreichen eines vordefinierten Mindestpegelstandes und/oder weiterer vordefinierbarer Pegelstände des Kühlmittels verstanden. Unter der Funktion b) wird beispielsweise ein Ausschalten und Neustarten des Sensors (reset), Kalibrierungswerte, Betriebszustände (ein), Lebenszeichen usw. verstanden.

Eine solche Ausführungsform kann beispielsweise dazu eingesetzt werden, dass beim Unterschreiten des vordefinierten Mindestpegelstandes des Kühlmittels ein Alarm an das Datennetzwerk absendbar ist. Je nach Bedarf kann der Alarm bei einem Überwacher oder einer Überwachereinheit in Form eines Signals oder einer Nachricht eintreffen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Anhand von Zeichnungen werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig.1 eine stark vereinfacht dargestellte erste Ausführungsform eines Generatorschalters mit einer erfindungsgemässen Kühlvorrichtung während des Betriebs des Generatorschalters;

Fig.2 die Kühlvorrichtung nach Fig.1 während des Betriebs und bei vollständiger Füllung mit einem flüssigen Kühlmittel;

Fig.3 die Kühlvorrichtung nach Fig.1 bei Stillstand;

Fig.4 die Kühlvorrichtung nach Fig.1 während des Betriebs und bei minimaler Kühlmittelfüllung;

Fig.5 die Kühlvorrichtung nach Fig.1 bei Stillstand und bei minimaler Füllung mit dem Kühlmittel;

Fig.6 eine zweite Ausführungsform der Kühlvorrichtung nach der Erfindung;

Fig.7 eine dritte Ausführungsform der Kühlvorrichtung nach der Erfindung;

Fig.8 eine Aufsicht auf einen ersten Schnitt durch einen Isolator der Kühlvorrichtung nach Fig.7; Fig.9 eine Aufsicht auf einen zweiten Schnitt durch den Isolator der Kühlvorrichtung nach Fig.7; Fig.10 eine Ansicht der Ausführungsform der Kühlvorrichtung nach Fig.1 , bei der der Kondensator als Wärmetauscher mit einem Primärkreis und einem Sekundärkreis ausgebildet ist;

Fig.1 1 eine Ansicht im Schnitt durch eine Ausführungsform des Wärmetauschers nach Fig.10, in die das Kühlmittelreservoir eingebaut ist, und

Fig.12 eine Ansicht der Kühlvorrichtung nach Fig.5, welche zudem mit einem

Sensor zur Erfassung des flüssigen Kühlmittelpegels versehen ist, so dass der Sensor mit einem Datennetzwerk kommunizieren kann.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG In allen Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder zumindest gleich wirkende Teile. Die in den Figuren 1 bis 6 dargestellten ersten beiden Ausführungsformen eines Generatorschalters 1 mit einer Kühlvorrichtung 3 weisen jeweils einen auf Hochspannungspotential des Stromleiters 5 liegenden Verdampfer 10, einen auf Erdpotential und damit geerdeten Kapselung 2 (Gehäuse) des Generatorschalters 1 (nur in Fig.1 dargestellt) befestigten Kondensator 20 auf. Weiter weisen die in Fig.1 und Fig.2 gezeigten ersten beiden Ausführungsformen der Kühlvorrichtung jeweils ein Leitungssystem 30, einen mit Hochspannung belastbaren Isolator 40 und ein Kühlmittelreservoir 50 auf. Die Kühlvorrichtungen sind jeweils mit einem flüssigen Kühlmittel gefüllt. Als Kühlmittel wird ein Hydrofluorcarbon in Form von„R-245fa" der Fa. Honeywell eingesetzt.

Bei jeder der beiden Ausführungsformen weist der Kondensator 20 einen Kühlmittelausgang 21 auf, der über einen das Kühlmittelreservoir 50 enthaltenden Kühlmittelleiter 31 des Leitungssystems 30 mit einem Kühlmitteleingang 1 1 des Verdampfers 10 verbunden ist. Ein Kühlmitteldampfausgang 12 des Verdampfers 10 ist über einen Kühlmitteldampfleiter 32 des Leitungssystems 30 mit einem Kühlmitteldampfeingang 22 des Kondensators 20 verbunden, so dass ein geschlossener Kühlkreislauf entsteht. In den Isolator 40 sind mit einem Abstand voneinander zwei Isolierkanäle 41 und 42 eingeformt. Der Isolierkanal 41 bildet einen Abschnitt des Kühlmittelleiters 31 , während der Isolierkanal 42 einen Abschnitt des Kühlmitteldampfleiters 32 bildet. Die beiden Isolierkanäle 41 und 42 sind weitgehend parallel zueinander durch den Isolator 40 geführt und weisen in Strömungsrichtung des Kühlmittels respektive des Kühlmitteldampfes weitgehend gleiche Länge auf. Die beiden Isolierkanäle definieren jeweils eine von zwei Teilisolierstrecken des Isolators 40. Bedingt durch geringfügige Abweichungen im Design und durch die Aufnahme voneinander abweichender Phasen des Kühlmittels/Arbeitsmediums haben die beiden Teil isolierstrecken im unterschiedliche Anforderungen betreffend der dielektrischen Festigkeit. Die Teilisolierstrecke mit der geringeren dielektrischen Festigkeit bestimmt letztlich die dielektrischen Eigenschaften des ganzen Isolators 40. Diese Teil isolierstrecke wird daher als Isolierstrecke des Isolators 40 bezeichnet und ist in den Figuren 5, 8 und 9 dargestellt und mit dem Bezugszeichen 60 gekennzeichnet. Der Isolator ist im einstückig ausgebildet und aus Epoxidharz gefertigt.

Beim Betrieb der Kühlvorrichtung befindet sich der Verdampfer 10 in thermisch und elektrisch leitendem Kontakt mit einem in Fig.1 dargestellten mit Hochspannung und hohen Strömen belasteten Stromleiter L. Die liegt bei einigen 10 kV bei Nennströmen in der Grössenordnung von mehreren 10 kA. Daher liegt der Verdampfer 10 auf Hochspannungspotential. Der Kondensator 20 befindet sich hingegen auf Erdpotential oder höchstens auf einem gegenüber dem Verdampfer 10 um mindestens eine Grössenordnung niedrigeren Potential, von höchstens einigen kV. An der Isolierstrecke 60 des Isolators 40 fällt daher weitgehend die gesamte Hochspannung ab.

Beim Führen von Nennstrom erwärmt sich der Stromleiter 5 infolge ohmscher Verluste, des Skin-Effekts und weiterer Faktoren und gibt diese durch einen Pfeil Q gekennzeichnete Verlustwärme an den Verdampfer 10 ab. Im Verdampfer 10 wird die Verlustwärme auf das flüssige Kühlmittel übertragen, worauf es verdampft und Kühlmitteldampf erzeugt. Der Kühlmitteldampf (in allen Figuren grob gestrichelt dargestellt) wird über den Kühlmitteldampfleiter 32 zum Kondensator 20 geführt. Im Kondensator 20 wird der Kühlmitteldampf verflüssigt. Das verflüssigte Kühlmittel (in allen Figuren feiner gestrichelt dargestellt) läuft ins Kühlmittelreservoir 50, in dem es gesammelt wird. Vom Kühlmittelreservoir 50 wird das flüssige Kühlmittel durch den Kühlmittelleiter 31 zum Verdampfer 10 zurückgeführt (in allen Figuren unstrichliert, das heisst mit einer durchgehenden Strichlinie dargestellt), wodurch ein Zyklus eines Kühlmittelkreislaufs abgeschlossen wird und von neuem beginnt. Um die Darstellung der Kühlvorrichtung möglichst übersichtlich zu halten, ist in fast allen Figuren auf die Darstellung der Rohrwandungen/Leitungswandungen des Leitungssystems 30 verzichtet worden.

Die Kühlvorrichtung ist derart ausgebildet, dass sich der Kondensator 20 und das Kühlmittelreservoir 50 auf einem höheren Niveau, also in vertikaler Richtung gesehen oberhalb befinden als der Verdampfer 10. Dadurch ist sichergestellt, dass das flüssige Kühlmittel durch Gravitation in den Verdampfer 10 gelangt. Aus allen Figuren ist ersichtlich, dass beim Zirkulieren der Kühlmitteldampf durch den Isolierkanal 42 und das flüssige, kondensierte Kühlmittel durch den Isolierkanal 41 geführt werden. Da das flüssige Kühlmittel einen hohen spezifischen Widerstand aufweist, zeichnet sich die vom kühlmittelgefüllten Isolierkanal 41 bestimmte Teilisolierstrecke des Isolators durch eine hohe dielektrische Festigkeit aus. Da der Druck des Kühlmitteldampfs bei Betrieb der Kühlvorrichtung wegen der hohen Dampftemperatur hoch ist, ist die dielektrische Festigkeit der durch den kühlmitteldampfgefüllten Isolierkanal 42 bestimmten Teilisolierstrecke ebenfalls hoch. Diese günstigen Bedingungen sind bei Betrieb der Kühlvorrichtung gewährleistet solange der Verdampfer 10 mit flüssigem Kühlmittel geflutet wird (Figuren 1 , 2, 4, 6 und 7).

Bei Stillstand der Kühlvorrichtung liegen jedoch andere Bedingungen vor. Bei Stillstand ist zwar der Strom im Stromleiter unterbrochen, aber der Isolator 40 kann weiterhin mit Hochspannung belastet sein. Ist das Kühlmittelreservoir 50 vollständig gefüllt (Figuren 2 und 3), so liegt der in Fig.3 bezeichnete Pegel 70 des flüssigen Kühlmittels mit Sicherheit über dem Niveau des Isolators 40 respektive der beiden Isolierkanäle 41 und 42, welche dann vollständig mit flüssigem Kühlmittel gefüllt sind.

Befindet sich hingegen bloss eine vergleichsweise geringe Menge an flüssigen Kühlmittel in der Kühlvorrichtung (Figuren 4 und 5), so sinkt der Pegel 70 ebenfalls stark. Bei Stillstand der Kühlvorrichtung weist das flüssige Kühlmittel eine Temperatur auf, die weit unterhalb der Temperatur liegt, die bei Nennstrombelastung auftritt. Der kalte Kühlmitteldampf befindet sich in allen frei von flüssigen Kühlmittel gehaltenen Abschnitten der Kühlmittelleitung 31 und der Kühlmitteldampfleitung 32 und ist in Fig.5 gepunktet/punktiert dargestellt. Wegen der geringen, an die Umgebungstemperatur angepassten Kühlmitteltemperatur wirkt in den Leitungen 31 und 32 lediglich der Sättigungsdampfdruck des Kühlmittels. Je nach Umgebung kann dieser Druck sehr gering sein. Würde der Pegel 70 der Kühlflüssigkeit unter dem Niveau der Isolierstrecke 60 liegen, so würde sich gesättigter Kühlmitteldampf mit geringem Dampfdruck in einem der beiden Isolierkanäle 41 , 42 befinden, was nach dem Gesetz von Paschen schon bei vergleichsweise geringer Spannung zu einem dielektrischen Versagen der Isolierstrecke 60 führen könnte. Dies gilt es zu vermeiden. Daher wird der Pegel 70 des flüssigen Kühlmittels, insbesondere bei Stillstand, überwacht. So ist sicherstellt, dass der Pegel 70 des flüssigen Kühlmittels 4 im Leitungssystem 30 bei ruhender Kühlvorrichtung 3 stets mindestens so hoch ist, wie ein oberes Ende 61 der Isolierstrecke 60 im Isolator 40.

Bei der Ausführungsform der Kühlvorrichtung nach Fig.6 ist das Kühlmittelreservoir 50 im Betrieb auf Hochspannungspotential gelegt. Mit anderen Worten gesagt, ist bei dieser Ausführungsform das Kühlmittelreservoir 50 mit dem Stromleiter 5 verbunden, beispielsweise direkt an ihm befestigt, so dass ein optimaler thermischer Übergang vom Stromleiter 5 zum Verdampfer 10 realisiert ist. Dies wird mit einer im Kühlmittelleiter 31 angeordneten Leitungsverzweigung 31 1 erreicht, die zum einen einen Kühlmittelanschluss 441 des Isolators 40 mit dem Kühlmitteleingang 1 1 des Verdampfers verbindet und zum anderen einen Leitungszweig aufweist, der mit dem Kühlmittelreservoir 50 kommuniziert. Selbstverständlich ist es dabei nicht erforderlich, dass die Zuleitung von der Leitungsverzweigung 31 1 zum Kühlmittelreservoir 50 durch den Isolator 40 hindurch erfolgen muss. Dies wurde in Fig.6 lediglich zugunsten einer besseren Übersichtlichkeit schematisch so dargestellt.

Die in Fig.7 darstellte dritte Ausführungsform der Kühlvorrichtung nach der Erfindung ist entsprechend den ersten beiden Ausführungsformen aufgebaut, weist jedoch anstelle nur eines Verdampfers zwei Verdampfer 10 und anstelle nur eines Kondensators zwei Kondensatoren 20 auf. Wie aus Fig.7 hervorgeht weist der Rechte dieser beiden Verdampfer eine Gruppe von drei in Serie geschalteten Teilverdampfern 10a, 10b, 10c auf. Von diesen Teilverdampfern bildet der Teilverdampfer 10a den Kühlmitteleingang 1 1 und der Teilverdampfer 10c den Kühlmitteldampfausgang 12 dieses Verdampfers. Bei dieser Ausführungsform der Kühlvorrichtung nach der Erfindung sind die Kühlmitteldampfausgänge 12 der beiden Verdampfer 10 mit einem Leitungszusammenschluss 44a verbunden, der zwei aus Fig.8 ersichtliche Kühlmitteldampfanschlüsse 442 des Isolators 40 enthält. Der Leitungszusammenschluss 44a ist in den Isolierkanal 42 geführt, der seinerseits mit einer Leitungsverzweigung 45a des Kühlmitteldampfleiters 32 verbunden ist, deren beide Abzweige jeweils mit einem der beiden Kühlmitteldampfeingänge 22 der beiden Kondensatoren 20 verbunden sind. Die beiden Kühlmittelausgänge 21 der beiden Kondensatoren 20 sind mit dem als Leitungszusammenschluss und Sammelraum wirkenden Kühlmittelreservoir 50 verbunden. Der Ausgang des Kühlmittelreservoirs 50 kommuniziert über den Isolierkanal 41 mit einer Leitungsverzweigung 44b des Kühlmittelleiters 31 , deren beide Abzweige jeweils an einen der beiden Kühlmitteleingänge 1 1 der beiden Verdampfer 10 geführt sind.

Wegen der Vielzahl an Teilverdampfern 10a, 10b, 10c und wegen des über die Kühlmittelleitung 31 direkt in den Verdampfer 10 eingespeisten flüssigen Kühlmittels und wegen des in der Kühlmitteldampfleitung 32 ohne Wechselwirkung mit dem kondensierten, flüssigen Kühlmittel erfolgenden Wegführens des Kühlmitteldampfes zeichnet sich ein solcher Verdampfer durch einen besonders hohen Wirkungsgrad aus. Bei dieser Ausführungsform der Kühlvorrichtung nach der Erfindung führt das Leitungssystem mit dem Kühlmittelleiter 31 und dem Kühlmitteldampfleiter 32 eine besonders grosse Menge an Kühlmittel. Um bei dieser wie auch allen anderen Ausführungsform der Kühlvorrichtung die Leistungsfähigkeit hochzuhalten, ist der Strömungsquerschnitt des Kühlmittelleiters 31 daher mit Vorteil kleiner bemessen als der Strömungsquerschnitt des Kühlmitteldampfleiters 32.

Fig.8 zeigt einen Schnitt durch eine vereinfacht dargestellte Ausführungsform des Isolators 40, wobei der Schnitt längs entlang dem Isolierkanal 42 geführt ist. Wie aus Fig.8 hervorgeht weist der der Isolator 40 einen polymeren, gegebenenfalls füllstoff- oder faserverstärkten Isolierkörper auf, welcher beispielsweise aus einem Giessharz gefertigt ist. Alternativ dazu weist der Isolator 40 einen keramischen Isolierkörper 43 auf. Wie aus Fig.8 hervorgeht sind der Isolierkanal 42 sowie zwei Anschlussstücke 44 und 45 in den Isolierkörper eingeformt. Das Anschlussstück 44 ist auf dem Stromleiter fixierbar und enthält zwei auf Hochspannungspotential führbare, mit dem Isolierkanal 42 fluidisch kommunizierende Kühlmitteldampfanschlüsse 442, welche Teil des hier aus strömungstechnischen Gründen gewinkelt ausgeführten Leitungszusammenschlusses 44a sind. Das Anschlussstück 45 ist mit dem Kondensator 20 verbunden und weist einen auf Erdpotential führbaren und mit dem Isolierkanal 42 fluidisch kommunizierenden Kühlmitteldampfanschluss 452 auf. Dieser Kühlmitteldampfanschluss 452ist in der Fig.8 zwar nicht wie der Leitungszusammenschluss 44a in gewinkelter Ausführung dargestellt, aber dennoch so ausgeführt, so dass er in der gewinkelt ausgebildeten Leitungsverzweigung 45a einsetzbar ist.

Der in Fig.9 dargestellte Isolator 40 ist entsprechend dem in Fig.8 dargestellten Isolator 40 gestaltet Dementsprechend sind in den Isolierkörper 43 der Isolierkanal 41 und zwei im Anschlussstück 44 vorgesehene Kühlmittelanschlüsse 441 eingeformt. Im Unterschied zum Isolator 40 gemäss Fig.8 ist als Anschlussstück 45 ein mit dem Kühlmittelreservoir 50 verbundener, als unverzweigter Leitungsabschnitt ausgebildeter Kühlmittelanschluss 451 vorgesehen.

Bei einer Kühlvorrichtung mit nur einem Verdampfer 10 ist anstelle von zwei Kühlmitteldampfanschlüssen 442 lediglich ein Kühlmitteldampfanschluss vorgesehen, wie dies bei den Ausführungsformen nach den Figuren 1 bis 6 der Fall ist.

Die vorgenannten Isolatoranschlüsse sind im Allgemeinen aus Metall gefertigt und sind jeweils von aussen in die Isolierkanäle 41 und 42 geführt. Die in die Isolierkanäle geführten Enden der Anschlüsse, z.B. des Kühlmitteldampfanschlusses 452, sind jeweils als Feldsteuerelektrode 46 ausgebildet.

Aus Fig.10 geht hervor, dass der Kondensator 20 als Wärmetauscher ausgebildet sein kann und zwei durch eine thermisch leitende Wand 23 voneinander getrennte Räume 24, 25 aufweist. Der erste Raum 24 ist Teil eines Primärkreises für das Kühlmittel und den Kühlmitteldampf und kommuniziert mit dem Kühlmittelausgang 21 und dem Kühlmitteldampfeingang 22 des Kondensators 20. Der zweite Raum hingegen ist Teil eines Sekundärkreises für ein wärmespeicherndes Fluid und weist zwei mit einem Wärmeverbraucher verbindbare Anschlüsse 26, 27 auf.

Eine solche Kühlvorrichtung zeichnet sich durch hohe dielektrische Sicherheit, chemische Stabilität und eine geringe Leckagerate aus. Ferner ist sie weitgehend wartungsfrei und weist einen geringen thermischen Widerstand auf. Zugleich kann sie in einem breit gefächerten Temperaturbereich eingesetzt werden und ist lediglich abhängig von den Eigenschaften des flüssigen Kühlmittels im Primärkreis. Die Kühlvorrichtung ist ferner unabhängig von Umluft und zeichnet sich durch eine hohe Wärmeabfuhr respektive Kühlleistung aus. Dies ermöglicht zudem einen modularen Aufbau der Kühlvorrichtung und gewährleistet eine effektive Nutzung der Abwärme in einem OCR-Kreislauf, einer Heizung oder einem chemischen Prozess.

Die Betriebssicherheit einer solchen Kühlvorrichtung kann zusätzlich erhöht werden, wenn die thermisch leitende Wand 23 elektrisch isolierend ausgebildet ist. In Fig. 1 1 ist ein beispielhafter konstruktiver Aufbau eines als Wärmetauschers ausgebildeten Kondensators 20 dargestellt. Aus Fig.1 1 geht hervor, dass der Wärmetauscher an einer leicht zugänglichen Aussenseite der Kapselung 2 angebracht ist. Über den Kühlmitteldampfanschluss 22 strömt bei Betrieb der Kühlmittelvorrichtung Kühlmitteldampf in den Raum 24 ein, der an thermisch leitend ausgebildeten Wänden von Wärmeübertragungselementen des Sekundärkreislaufs kondensiert. Die beim Kondensieren abgegebene Verlustwärme Q wird an einen durch den Raum 25 strömenden Wärmeträger eines Sekundärkreises, typischerweise Wasser oder Öl, übertragen und durch die Kapselung 2 hindurch an einen Verbraucher abgegeben (in Fig.1 1 nicht näher dargestellt). Die durch den Wärmeträger erzielte Kühlleistung kann so geregelt werden, dass der zu kühlende Stromleiter unabhängig von Störgrössen, wie den Umgebungsbedingungen, auf einer vorgegebenen Solltemperatur gehalten wird.

Das kondensierte Kühlmittel wird in dem in den Wärmetauscher integrierten Kühlmittelreservoir 50 gesammelt und durch die Kapselung hindurch in den Kühlmittelkreislauf eingespiesen. Da der Wärmetauscher aussen an der Kapselung 2 angebracht ist, kann er leicht in die Kühlvorrichtung eingebaut und auch leicht wieder demontiert werden.

Die in Fig.12 dargestellte Ansicht der Kühlvorrichtung basiert auf der ersten Ausführungsform, welche auch in Bezug auf die Fig.5 weiter oben in dieser Beschreibung erklärt ist. In der Folge wird nachfolgend lediglich noch auf die Unterschiede der in Fig.12 gezeigten Ausführungsform zur in Fig.5 gezeigten Ausführungsform erläutert.

Da der Pegelstand des Kühlmittels im Leitungssystem bei ruhender Kühlvorrichtung entscheidend für die Betriebssicherheit des Generatorschalters ist, weist die Kühlvorrichtung 3 einen Sensor 72 zur Erfassung des Pegels 70 oder zumindest eines vordefinierten Mindestpegelstandes des Kühlmittels 4 in flüssigem Zustand auf. Der Sensor 72 hat eine Netzwerkschnittstelle und ist über diese mit einem Sender/Empfänger 76 verbunden, so dass der Sensor 72 über ein Übertragungsnetz 78 mit einem internetbasiertes, eine Cloud beinhaltendes Datennetzwerk 74 kommunizieren kann. Beim Unterschreiten des vordefinierten Mindestpegelstandes des Kühlmittels 4 in der Kühlvorrichtung 3 wird damit ein signalförmiger Alarm an das Datennetzwerk abgesandt.

Obwohl die oben genannte Ausführungsform im Zusammenhang mit Fig.12 erklärt worden ist, ist sie sinngemäss für alle in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen ebenso anwendbar.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Generatorschalter

2 Kapselung, Gehäuse des Generatorschalters

3 Kühlvorrichtung

4 Kühlmittel

5 Stromleiter (auf Hochspannungspotential)

10 Verdampfer

10a, 10b, 10c Teilverdampfer

1 1 Kühlmitteleingang

12 Kühlmitteldampfausgang

20 Kondensator

21 Kühlmittelausgang 22 Kühlmitteldampfeingang

23 thermisch leitende Wand

24, 25 Räume

26, 27 Anschlüsse

30 Leitungssystem

31 Kühlmittelleiter

31 1 Leitungsverzweigung

32 Kühlmitteldampfleiter

40 Isolator

41 , 42 Isolierkanäle

43 Isolierkörper

44, 45 Anschlussstücke

44a Leitungszusammenschluss

44b, 45a Leitungsverzweigung

441 Kühlmittelanschluss

442 Kühlmitteldampfanschluss

451 Kühlmittelanschluss

452 Kühlmitteldampfanschluss

46 Feldsteuerelektrode

50 Kühlmittelreservoir

60 Isolierstrecke

61 oberes Ende der Isolierstrecke

70 Pegel des Kühlmittels

72 Sensor, Niveausensor

74 Datennetzwerk

76 Sender/Empfänger

78 Übertragungsnetz

Q Verlustwärme