ТОКОВВОД ГИБРИДНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ МАГИСТРАЛИ

Область техники
Полезная модель относится к гибридным энергетическим магистралям, предназначенным для криогенного транспортирования энергоносителя (жидкого водорода) и передачи электроэнергии по встроенному в магистраль сверхпроводящему кабелю.
Уровень техники
Токовводы гибридной энергетической магистрали предназначены для ввода и вывода из нее тока, передаваемого по сверхпроводящему кабелю.
Токовводы обеспечивают электрическое соединение токонесущих элементов встроенного в магистраль высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) электрического кабеля, находящихся в низкотемпературной зоне, создаваемой переохлажденным водородом, транспортируемым по гибридной энергетической магистрали при повышенном давлении, с токонесущими элементами промышленной сети, работающими при температуре и давлении окружающей среды. Токовводы обеспечивают необходимую токовую нагрузку ВТСП силового кабеля при минимальном теплопритоке от окружающей среды в его низкотемпературную зону. Величина постоянного тока, проходящего через токопровод токоввода, составляет от 1000 до 5000 А при напряжении не менее 20 кВ и температуре эксплуатации токонесущих элементов промышленной кабельной сети от 223 до 323 К. Температура криогенной зоны изменяется в диапазоне от 20 до 25 К. Основными требованиями, предъявляемыми к конструкции токоввода, являются требования герметичности конструкции и обеспечение минимальных притоков тепла за счет выделения джоулева тепла в токопроводе токоввода и теплоподвода от окружающей среды через элементы конструкции.
В качестве прототипа (ближайшего аналога) выбран токоввод, известный из патента RU 116266. Прототип содержит высоковольтный изолятор, токопровод, вертикально установленный в герметичной камере высоковольтного изолятора, криостат, контакт подключения токонесущего элемента к сетевому кабелю, контакт подключения токопровода к высокотемпературному сверхпроводящему силовому кабелю, расположенный в полости криостата, и включает в свой состав, по меньшей мере, один диэлектрический тепловой экран, образующий с поверхностью токонесущего элемента кольцеобразный капиллярный канал, и диэлектрические перегородки, горизонтально установленные в камере высоковольтного изолятора и образующие криволинейный проточный канал вдоль токопровода. При этом между торцевыми частями перегородок и поверхностью токопровода образован кольцеобразный зазор, величина которого составляет от 3 до 4 мм.
Недостаток прототипа, проявляющийся при его использовании на гибридной энергетической магистрали с жидководородным энергонесущим хладагентом - низкая эффективность защиты транспортного канала магистрали от теплопритока, поступающего со стороны токопровода.
Раскрытие полезной модели
Технический результат полезной модели - снижение теплопритока от токопровода в транспортный канал гибридной энергетической магистрали с жидководородным хладагентом.
Предметом полезной модели является токоввод гибридной энергетической магистрали с жидководородным энергонесущим хладагентом, содержащий изолятор, вертикально установленный в теплоэкранированном отводе с фторопластовой фазоразделительной втулкой, размещенный в герметичной полости изолятора токопровод, снабженный контактным выводом и соединенный с токонесущим элементом сверхпроводящего кабеля магистрали, поперечные диэлектрические перегородки полости изолятора, с зазором охватывающие, вместе с фторопластовой фазоразделительной втулкой, токопровод, при этом края диэлектрических перегородок зафиксированы между установленными в полости изолятора фторопластовыми обечайками, а величина указанного зазора лежит в пределах 0,3-1,5 мм.
Осуществление полезной модели
На чертеже показана конструкция токоввода гибридной энергетической магистрали с жидководородным энергонесущим хладагентом.
По криостатированному транспортному каналу 1 магистрали перемещается энергонесущий хладагент - жидкий водород. Вдоль оси транспортного канала 1 магистрали проходит токонесущий элемент (на чертеже не показан) встроенного сверхпроводящего кабеля, для которого транспортный канал магистрали служит криостатной оболочкой.
Высоковольтный изолятор 2 вертикально установлен в отводе 3 от гибридной энергетической магистрали, теплоэкранированном с помощью экранно-вакуумной изоляции. Токопровод 4 выполнен из гибкого (щеточного) провода, помещенного в стальную трубу 5, и размещен в герметичной полости изолятора 2. С одной (низкотемпературной) стороны он соединен с токонесущим элементом сверхпроводящего кабеля (на чертеже не показан), с другой (теплой) стороны снабжен контактным выводом 6 для подключения к электрооборудованию промышленной сети. Полость изолятора 2 сообщена с транспортным каналом 1 через фторопластовую фазоразделительную втулку 7, установленную в отводе 3, и разделена поперечными диэлектрическими перегородками 8.
Втулка 7 и перегородки 8 охватывают токопровод 4 с зазором, величина которого лежит в пределах 0,3-1,5 мм. В полости изолятора 2 установлены фторопластовые обечайки 9, между которыми зафиксированы края перегородок 8, имеющие форму дисков.
Работает устройство следующим образом.
Основной теплоприток в низкотемпературную зону токоввода и транспортный канал 1 жидкого водорода происходит от кабеля промышленной сети, подключенного к выводу 6 через токопровод 4 за счет его высокой теплопроводности и за счет тепловыделения при прохождении электрического тока. Дополнительный поток тепла поступает из окружающей среды через изолятор 2 и переносится в канал 1 за счет естественной конвекции газообразного водорода в замкнутой кольцевой полости изолятора 2.
Фазоразделительная втулка 7 из фторопласта препятствует перемещению зеркала жидкости в канале 1 к нижней поперечной перегородке 8, способствуя устойчивому формированию газовой среды в нижней части полости изолятора 2, незащищенной экранно-вакуумной теплоизоляцией отвода 3
Установка обечаек 9, фиксирующих края перегородок 8, препятствует перемещению вихревых структур газообразного водорода по высоте токопровода 4.
Теплопроводность водорода существенно больше, а вязкость существенно меньше, чем у азота, используемого в качестве хладагента в высокотемпературных сверхпроводящих кабелях. Однако в результате установки втулки 7 и диэлектрических перегородок 8 охватывающих токопровод 3 с уменьшенным зазором 0,3…1,5 мм, и введения фторопластовых обечаек, закрывающих зазоры вокруг краев перегородок 8, обеспечивается снижение теплопритока от токопровода в гибридную энергетическую магистраль с жидководородным хладагентом.