Schaltanlagenmodul Die Erfindung betrifft ein Schaltanlagenmodul.

Im Bereich der Energieverteilung kommen diverse Schaltanlagen in den Einsatz. Typischerweise unterscheidet man zwischen Hochspannungs- , Mittelspannungs- und Niederspannungsnetzen, für die es jeweils dedizierte Schaltanlagen, d.h. Hochspannungsschaltanlagen, Mittelspannungsschaltanlagen und Niederspannungsschaltanlagen gibt. Vor allem im Bereich der Mittelspannung und der Hochspannung erwärmen sich für die Stromverteilungsnetze verwendete Schaltanlagen aufgrund des ohmschen Widerstandes und es entsteht eine nicht unbeträchtliche Ver ^¬ lustwärme .

Um der Beschädigung von Komponenten der Schaltanlage vorzubeugen, sind für dedizierte, bei Überhitzung gefährdete Stel- len der Anlage nur bestimmte Grenztemperaturen erlaubt. Diese maximalen Temperaturen werden in Normen festgelegt. Als Folge daraus kann die Schaltanlage, für die eine bestimmte Grenz ^¬ temperatur nicht überschritten werden darf, nur mit einer dadurch eingeschränkten Stromstärke beaufschlagt werden.

Es ist aus Gründen der Effizienz wünschenswert, die Anlagen mit einer möglichst hohen Stromstärke zu betreiben. Aus die ^¬ sem Grund ist es ein übliches Vorgehen, die Schaltanlagen mit zusätzlichen Kühleinrichtungen zu versehen, um so die Strom- stärke in der Schaltanlage erhöhen zu können. Die durch die höhere Stromstärke entstehende zusätzliche Wärme wird durch die Kühleinrichtung an die Umgebung abgeführt, so daß die Einhaltung der Grenztemperaturwerte gewährleistet ist. Das Kühlerfordernis betrifft dabei häufig sogenannte Hot ^¬ spots, welche im Vergleich zur Durchschnittstemperatur der Anlage erheblich höhere Temperaturen aufweisen können. Diese Hotspots können z.B. Schaltgeräte, Kontaktstellen von Strom- leitern oder Stromschienen, Sicherungen, Schütze, Ventile, Lastwiderstände und dergleichen sein.

Es ist aus der DE 199 37 072 B4 bekannt, Verbindungselemente von metallgekapselten gasisolierten Schaltanlagen mit einer feststoffisolierten Ummantelung zu versehen, welche wärmeleitend ist und mit Kühlkörperelementen in Verbindung steht.

In der EP 167 26 55 AI wird die Kühlung eines Vakuumschalters mit Hilfe eines Wärmerohrs bzw. Heatpipes offenbart. Die Küh ^¬ lung wird hierin durch Verdampfung eines Arbeitsmediums rea ^¬ lisiert .

In der DE 10 2009 010 897 AI ist ein Schaltschrank gezeigt, welcher ebenfalls mit Wärmerohren bzw. Heatpipes versehen ist, um bei Hotspots Wärme abzuführen. Im Ende eines Heat ^¬ pipes ist dabei ein Kühlblock vorgesehen, an welchen die abgeführte Wärme abgegeben wird. Es besteht ein Bedarf an einer kompakten, effizienten und umweltfreundlichen Kühlung von Schaltanlagen. Es ist Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, eine derartige Kühlung bereitzustellen . Diese Aufgabe wird durch ein Schaltanlagenmodul nach Anspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird ein Schaltanlagenmodul vorgeschlagen, für welches ein magnetisches Kühlsystem vorgesehen ist. Das Schaltanlagenmodul ist dabei für die Kühlung zumindest eines Bereichs (typischerweise Hotspot) des Schaltanlagenmoduls mit Hilfe des magnetischen Kühlsystems ausgestaltet. Unter magne ^¬ tischem Kühlsystem ist dabei ein System gemeint, welches mit sogenannter magnetokalorischer Kühlung arbeitet. Derartige Kühlung basiert auf einem magnetokalorischen Material, bei welchem der sogenannten magnetokalorischen Effekt auftritt. Eine aktive Kühlung durch eine magnetische Kühleinrichtung besitzt eine höhere Effizienz als Kühlung mit Hilfe konventi ^¬ oneller Mittel, beispielsweise auf der Verdampfung eines Ar ^¬ beitsmittels basierende Kompressionskältemaschinen, wie sie beispielsweise in der EP 167 26 55 AI beschrieben sind. Es wird daher mit weniger Energieeinsatz die gleiche Kühlleis ^¬ tung erreicht. Zudem ist eine magnetische Kühlung nahezu ver ^¬ schleißfrei und damit optimal für den langjährigen Einsatz in einer Schaltanlage geeignet.

Das erfindungsgemäße Schaltanlagenmodul kann zumindest eine bereichsweise zu kühlende Komponente (z.B. Vakuumschaltröhre, Sammelschiene etc.) umfassen und für eine Kühlung zumindest eines Bereichs bzw. Hotspots dieser Komponente mittels des magnetischen Kühlsystems ausgestaltet sein. Bei dem Schaltanlagenmodul kann es sich beispielsweise um ein Modul einer gasisolierten Schaltanlage handeln, welches einen zumindest teilweise mit Gas gefüllten Innenbereich aufweist.

Das magnetische Kühlsystem kann an, in oder teilweise in dem Schaltanlagenmodul angeordnet sein. Typischerweise weist da ^¬ bei das Kühlsystem eine warme Seite auf (welche z.B. den Be ^¬ reich umfaßt, der für eine Erwärmung eines magnetokalorischen Materials durch Anlegen eines Magnetfelds vorgesehen ist) . Diese ist gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands außerhalb des Schaltanlagenmoduls angeordnet oder bzw. und von einem (z.B. gasgefüllten) Innenbereich des Schaltanlagenmoduls mittels eines thermischen Isoliersystems zumindest teilweise thermisch isoliert.

Gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist das magnetische Kühlsystem getrennt von dem Schaltanlagenmodul angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung kann das Schaltanlagenmodul einen Wärmetauscher umfassen und ein Wärmetauschmedium zur Abführung von Wärme von dem zu kühlenden Bereich vorgesehen sein. Gemäß dieser Ausgestaltung sind Leitungen zum

Transport des Wärmetauschmediums zwischen dem Wärmetauscher und dem magnetischen Kühlsystem eingerichtet bzw. vorgesehen. Das magnetische Kühlsystem ist im Zuge dieser Ausgestaltung für die Kühlung des Wärmetauschmediums eingerichtet.

Die Erfindung umfaßt auch ein System bestehend aus einem erfindungsgemäßen Schaltanlagenmodul und einem für das Schalt ^¬ anlagenmodul vorgesehenen magnetischen Kühlsystem sowie einer Schaltanlage, sowie zwei erfindungsgemäßen Schaltanlagemodu ^¬ len, welche bei mittels ein und desselben Kühlsystems kühlbar sind .

Der Erfindungsgegenstand wird im Folgenden im Rahmen von Aus ^¬ führungsbeispielen anhand von Figuren näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 : das Schaltfeld einer Mittelspannungsschaltanlage,

Fig. 2 : das Prinzip magnetokalorischer Kühlung,

Fig. 3: ein erfindungsgemäßes Schaltanlagenmodul mit einem daran angebrachten magnetischen Kühlsystem,

Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Schaltanlagenmodul mit in ^¬ nerhalb des Moduls integriertem magnetischem Kühlsys ^¬ tem,

Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Schaltanlagenmodul mit teilwei ^¬ se im Modul integriertem magnetischem Kühlsystem,

Fig. 6 ein erfindungsgemäßes Schaltanlagenmodul, welches über ein Wärmetauschermedium durch ein magnetisches Kühlsystem gekühlt wird,

Fig. 7 ein erfindungsgemäßes Schaltanlagenmodul mit einer

Sammelschiene, welche mit Hilfe eines magnetischen Kühlsystems gekühlt wird,

Fig. 8 ein erfindungsgemäßes Schaltanlagenmodul mit einer

Vakuumschaltröhre, welche mittels eines magnetischen Kühlsystems gekühlt wird.

Im Bereich der Mittel- und Hochspannung kommen insbesondere auch sogenannte gasisolierte Schaltanlagen zum Einsatz. Dabei handelt es sich im Unterschied zu sogenannten luftisolierten Schaltanlagen um vollständig gasdicht gekapselte Schaltanla- gen für Hoch- und Mittelspannung, die zur Isolierung den oder die elektrischen Leiter mit Schwefelhexalfluorid (SF6) als Schutzgas umgeben. Gasisolierte Schaltanlagen sind wesentlich kompakter als luftisolierte Schaltanlagen, weil SF6 eine drei- bis vierfach höhere Durchschlagfestigkeit als Luft bei Normaldruck besitzt. Das Isolationsgas wird in der Anlage normalerweise unter einem Druck von 5 bis 10 bar gehalten, um die hohe Isolationsfähigkeit sicherzustellen. Der Erfindungsgegenstand wird im Folgenden anhand einer der ^¬ artigen gasisolierten Schaltanlage beschrieben, weil durch die Kompaktheit derartige Schaltanlagen diese verstärkt einen Bedarf für Kühlung haben. Gasisolierte Schaltanlagen werden im Allgemeinen nicht als einzelne Leistungsschalter sondern als Felder verkauft, wobei diese Felder eine Reihe von Kompo ^¬ nenten enthalten.

Ein Schaltfeld einer gasisolierten Schaltanlage ist in Fig. 1 dargestellt. Dabei handelt es sich um einen Leistungsschal- ter-Festeinbauanlagen Typ NXPLUS bis 40,5 kV der Firma Siemens AG. Das Schaltfeld umfaßt einen Niederspannungsschrank 1 und eine Sammelschienenabdeckung 2, welche oberhalb eines Sammelschienenmoduls 3 angeordnet ist. Dieses Sammelschienen ^¬ modul 3 ist verschweißt und SF6-isoliert . Eine Druckentlas- tung 4 in Form einer Berstscheibe ist bei dem Sammelschienenmodul 3 angeordnet. Es ist weiter ein dreipoliges Sammel- schienensystem 5 vorgesehen. Weiter weist das Schaltfeld einen Dreistellungs-Trennschalter 6 auf. Ein zweites SF6- isoliertes Modul ist vorgesehen, nämlich das Leistungsschal- termodul 8. Zwischen diesem Leistungsschaltermodul 8 und dem Sammelschienenmodul 3 ist eine Modulkopplung 7 vorgesehen. Im Leistungsschaltermodul 8 ist eine Vakuum-Schaltröhre 9 des Leistungsschalters angeordnet. Weiter sind ein Druckentlas ^¬ tungskanal 10 und ein integrierter Kabelanschluß 11 als In- nenkonus gezeigt. Ein Kabelanschluß 12 mit Innenkonussteckern ist zudem vorgesehen, sowie ein Abzweig-Stromwandler 13 und ein Antrieb 14 für den Dreistellungsschalter 6. Eine mechanische Bedienblende 15 ist gezeigt, sowie ein Antrieb 16 für den Leistungsschalter in Röhre 9. Als Außenkonus ist eine Spannungswandler-Anschlußbuchse 17 vorgesehen. Schließlich gibt es noch einen Kabelanschlußraum 18, einen Abzweig- Spannungswandler 19 und eine Erdungssammelschiene 20.

Vor allem für die gasisolierten Schaltanlagenmodule 3 und 8, d.h. das Sammelschienenmodul und das Leistungsschaltermodul, kann eine Kühlung vorgesehen sein, um höhere Stromstärken zu ermöglichen .

Erfindungsgemäß wird ein Schaltanlagenmodul mit einem magne ^¬ tischem Kühlsystem gekühlt. Ein magnetisches Kühlsystem bzw. magnetokalorisches Kühlsystem basiert auf sogenannten magne ^¬ tokalorischen Werkstoffen. Beispiel für derartige magnetoka- lorische Werkstoffe sind Gaduliniumlegierungen wie Gd5Ge2Si2, Legierungen wie Mnl . IFeO .9 ( PO .8GeO .2 ) , Legierungen aus Mn, Fe, P und Si, LaFeSi-Legierungen und Legierungen enthaltend Fe304/Au, GdDyN, LaCaMnO, NdSrMnO oder MnFe ( P, As ) . Das Prinzip einer magnetokalorischen Kühlung wird im Folgenden anhand von Figur 2 dargestellt. In der Figur ist eine Kühllast bzw. Wärmelast 30 dargestellt, welche durch das Sys ^¬ tem gekühlt werden soll. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine Vakuumschaltröhre (wie in der Figur angedeutet) oder eine Sammelschiene. Es ist ein magnetokalorischer Werkstoff

31 in vier Phasen A, B, C und D gezeigt, die für die magneto ^¬ kalorische Kühlung typisch sind. In einem magnetischen Werkstoff sind die magnetischen Momente normalerweise ungeordnet. Die magnetischen Momente sind durch Pfeile angedeutet, von denen einer beispielhaft mit dem Bezugszeichen 32 versehen wurde. Bei Anlegen eines Magnetfeldes ordnen sich die magne ^¬ tischen Momente. Dies ist in Phase A der Fall, wo das magne ^¬ tokalorische Material 31 sich in einem Magnetfeld befindet, welches durch einen den Südpol S und den Nordpol N umfassen- den Magneten erzeugt wird. Gemäß dem zweiten Hauptsatz der

Wärmelehre kann die Ordnung in einem geschlossenen System nie zunehmen. Wenn also die magnetischen Momente sich durch Anlegen eines Magnetfeldes ordnen, muß zum Ausgleich im abge- schlossenen System an anderer Stelle Unordnung erzeugt werden. Im Falle der magnetokalorischen Werkstoffe verstärkt sich die Bewegung der Einzelatome, es erhöht sich also die Temperatur. Der magnetokalorische Werkstoff 31 besitzt also in Phase A eine Temperatur Tl, die größer ist als die Tempe ^¬ ratur T4, welche er vor dem Anlegen des Magnetfelds besaß. Dadurch, das sich die Temperatur erhöht hat, kann von dem Werkstoff 31 Wärme AW abgeführt werden, z.B. indem der Werkstoff von einem Kühlmittel (Wasser) umströmt wird, welches Wärme abführt bzw. zu einer Wärmesenke transportiert. Nach

Abführung der Wärme AW befindet sich das System im Zustand B, d.h. der Werkstoff 31 besitzt eine Temperatur T2, welche ge ^¬ ringer ist als die in der vorhergehenden Phase. In dem nächsten Schritt wird der Werkstoff 31 aus dem Magnetfeld ent- fernt. Dabei geht die Ordnung der magnetischen Momente verlo ^¬ ren, was durch die als Pfeile angedeuteten magnetischen Momente gezeigt ist. Dadurch sinkt die Temperatur, so daß in dieser Phase der Werkstoff 31 eine Temperatur T3 besitzt, welche niedriger als die Temperatur T2 im Magnetfeld ist. Diese Temperatur T3 ist zudem derart festgelegt (z.B. durch geeignete Einstellung der Curie-Temperatur mittels der Materialzusammensetzung des magnetokalorischen Materials) , daß sie niedriger als die der Wärmelast 30 ist. Somit kann die Wärmelast 30 eine Wärmemenge AW an den magnetokalorischen Werkstoff 31 abgeben. Der Werkstoff 31 erwärmt sich anschlie ^¬ ßend wieder auf die Temperatur T4 durch Aufnahme der Wärmemenge AW (Szenario D) . In einem nächsten Schritt, der wiede ^¬ rum dem ersten Schritt entspricht, wird der Werkstoff 31 in ein Magnetfeld eingebracht, wodurch sich die Temperatur noch- mal erhöht (magnetokalorischer Effekt) .

An magnetokalorischen Materialien gibt es Anforderungen, wie z.B. eine hohe Entropie-Änderung am Phasenübergang und eine adiabatische Temperaturänderung (d.h. ohne Abgabe von Wärme an die Umgebung) bei variierenden mittelstarken Magnetfeldern. Zudem sollen sie eine geringe thermische Hysterese und damit geringe Wärmeverluste aufweisen. Die durch Einfluß ei ^¬ nes Magnetfeldes verursachten Änderungen des Materials müssen außerdem reversibel sein. Ein wichtiger Parameter für derartige Werkstoffe ist die Curie-Temperatur. Diese soll auf die jeweilige Anwendung abgestimmt sein. Die magnetokalorische Kühlung kann im Vergleich zur bestehenden Kompressortechnik eine bis zu 50 % bessere Energieeffizienz aufweisen. Zudem kann das auf einer magnetischen Kühlung basierende Gerät eine relativ geringes Volumen aufweisen und kompakt gebaut werden. Da die Technologie ohne gasförmige Kühlmittel auskommt, ist sie in der Regel auch leiser und vibrationsärmer als die üblichen Kompressorkühlsysteme.

In Fig. 2 wurde das System der magnetokalorischen Kühlung so dargestellt, als würde der magnetokalorische Werkstoff bewegt werden. Es sind jedoch Systeme denkbar, bei denen der Werkstoff im Wesentlichen auch an einem festen Ort bleiben kann. Beispielsweise kann auch statt mit einem Permanentmagneten mit einem Elektromagneten operiert werden, der gemäß Kühlungszyklus an- bzw. ausgeschaltet wird. Zudem kann eine Wär- mesenke vorgesehen sein, die bedarfsweise mit dem magnetoka ^¬ lorischen Werkstoff in Kontakt gebracht wird. Systeme magne ^¬ tokalorischer Kühlung sind beispielsweise in der EP 2 813 785 AI, US 2011/0302930 AI, DE 10 2012 110 415 AI und der DE 10 2012 110 619 AI beschrieben.

Fig. 3 zeigt ein Schaltanlagenmodul 21 mit einem Gasbehälter 22, welcher z.B. aus Metall besteht. An dem Gasbehälter 22 ist ein magnetisches Kühlsystem 23 befestigt, welches eine heiße Seite 231 und eine kalte Seite 232 umfaßt. Bei der kal- ten bzw. warmen Seite handelt es sich z.B. um ein Tieftempe ^¬ raturende und ein Hochtemperaturende eines magnetokalorischen Moduls, wie es z.B. in der DE 2012 01 10 215 AI beschrieben ist. Im Zuge der im Folgenden gezeigten schematischen Darstellung und für die Überlegungen zum Prinzip kann vereinfa- chend davon ausgegangen werden, daß das magnetische Kühlsys ^¬ tem aus zwei Seiten oder Teilen besteht, welche ein Hochtemperaturende und ein Tieftemperaturende bzw. ein Hochtempera ^¬ turteil und ein Tieftemperaturteil umfassen, welche entspre- chend heiße bzw. kalte Seite genannt werden. In Fig. 4 ist das magnetische Kühlsystem 23 in den Gasbehälter 22 integriert. Die heiße Seite 231 ist dabei von der kalten Seite 232 und dem Gas des Behälters 22 durch eine thermische Isola- tionsvorrichtung 24 thermisch isoliert, damit möglichst keine Wärme an das Gas abgegeben wird. Dazu können beispielsweise handelsübliche natürliche und künstliche Materialien einge ^¬ setzt werden, mittels welchen eine thermische Isolation bzw. eine Eindämmung der Wärmeübertragung realisierbar ist.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausgestaltung gezeigt, bei welcher die kalte Seite 232 innerhalb des Gasbehälters und die heiße Seite 231 des magnetischen Kühlsystems 23 außerhalb des Gas ^¬ behälters 22 angeordnet ist. In Fig. 6 ist eine weitere Aus- gestaltung dargestellt, bei welcher das magnetische Kühlsys ^¬ tem 23 entfernt von dem Gasbehälter 22 angeordnet und mittels Leitungen 261 und 263 mit dem Gasbehälter 22 verbunden ist. Durch die Leitung 261 wird ein Wärmetauschermedium 27 in den Gasbehälter 22 transportiert und dort (Leitungsabschnitt 262) mittels eines im Gasbehälter 22 vorgesehenen Wärmetauschers 25 erwärmt. Das erwärmte Wärmetauschermedium 27 wird dann über die Leitung 263 zu dem magnetischen Kühlsystem 23 transportiert und dort mittels des magnetokalorischem Effekt abge ^¬ kühlt, um dann wieder für den Einsatz zur Wärmeabführung durch Transport zum Wärmetauscher 25 zur Verfügung zu stehen. Das Wärmetauschermedium kann flüssig oder gasförmig sein. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß größere Freiheiten bzgl . der räumlichen Anordnung des magnetischen Kühlsystems bestehen. Insbesondere kann das magnetische Kühlsystem 23 mittels Leitungen mit einer weiteren zu kühlenden Komponente verbunden sein, d.h. das magnetische Kühlsystem 23 kann für die Kühlung einer Mehrzahl von Komponenten verwendet werden.

In Fig. 7 ist eine Anwendung des Konzeptes aus Fig. 6 für die Kühlung einer im Gasbehälter 22 angeordneten Sammelschiene 28 dargestellt. Das nichtleitende Kühlwärmetauschermedium 27 wird von dem magnetischen Kühlsystem 23 aus in den Gasbehälter 22 und zu der Sammelschiene 28 transportiert und umspült dort die Sammelmaschine, so daß diese Wärme an das Wärmetau ^¬ schermedium 27 abgibt. Das erwärmte Wärmetauschermedium 27 wird dann zurück zum magnetischen Kühlsystem 23 geleitet, wo mittels des magnetokalorischen Effektes die Wärme abgegeben wird.

Fig. 8 schließlich zeigt die Anwendung des Konzepts von Fig. 6 auf eine Vakuumschaltröhre 29. Wieder wird von dem magneti ^¬ schen Kühlsystem 23 aus ein nichtleitendes Wärmetauschermedi- um 27 zu der Vakuumschaltröhre 29 geleitet, welche über einen Wärmetauscher oder durch Umspülung Wärme an das Medium 27 abgibt, welches dann wieder zurück zum magnetischen Kühlsystem 23 transportiert wird. Das in Fig. 7 gezeigte Schaltanlagen ^¬ modul 23 entspricht beispielsweise dem Sammelschienenmodul 3 aus Figur 2 und das Schaltanlagenmodul aus Fig. 8 dem Leis ^¬ tungsschaltermodul 8 aus Fig. 2. Es ist nun möglich, in dem Schaltfeld aus Fig. 2 - beispielsweise im Bereich der Modul ^¬ kupplung 7 - zwischen Sammelschienenmodul und Leistungsschal ^¬ termodul ein magnetisches Kühlsystem vorzusehen, welches mit den beiden gasisolierten Modulen (Sammelschienenmodul und Leistungsschaltermodul) verbunden ist so auch beide kühlen kann .

Bezugs zeichenliste

1: Niederspannungsschank

2: Sammelschienenabdeckung

3: Sammelschienenmodul

4: Druckentlastung (Berstscheibe)

5: Sammelschienenmodul

6: Dreistellungs-Trennschalter

7: Modulkopplung

8: Leistungsschaltermodul

9: Vakuum-Schaltröhre

10: Druckentlastungskanal

11: Kabelanschluß

13: Abzweig-Stromwandler

14: Antrieb

15: Bedienblende

16: Antrieb für Leistungsschalter

17 : Spannungswandler-Anschlußbuchse

18: Kabelanschlußraum

19: Abzweig-Spannungswandler

20: Erdungssammelschiene

21: Schaltanlagenmodul

22 : Gasbehälter

23: magnetisches Kühlsystem

231: heiße Seite des magnetischen Kühlsystems

232: kalte Seite des magnetischen Kühlsystems

24: thermische Isolationsvorrichtung

25: Wärmetauscher

261, 262, 263: Leitungsabschnitte zum Transport des Wärme- tauschmediums 27

27 : Wärmetauschmedium

28 : Sammelschiene

29: Vakuumsehaltröhre

30 : Wärmelast

31 : magnetokalorischer Werkstoff

32 : magnetisches Moment