ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ ТОКООГРАНИЧИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ СО СЪЕМНЫМ КОЛОДЦЕМ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ.
Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к высоковольтным токоограничивающим сильноточным устройствам на основе высокотемпературной сверхпроводимости (далее ВТСП ТОУ) и может найти применение для последовательного включения в сеть 110 кВ и выше для ограничения токов короткого замыкания.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.
Токоограничивающее устройство на основе высокотемпературной сверхпроводимости снижает аварийные токи короткого замыкания в электрических сетях, повышает надежность электроснабжения, качество электроэнергии и снижает износ электрооборудования.
В основе действия ВТСП ТОУ лежит свойство сверхпроводника переходить из состояния с нулевым сопротивлением в состояние с конечной проводимостью при превышении некоторого порогового значения тока. Переключение не требует внешнего воздействия и происходит при превышении критического значения тока, уровень которого задается конструкцией.
В патенте RU 2588607 раскрывается сверхпроводниковый ограничитель (СОТ) тока короткого замыкания, - содержащий токоввод высоковольтного сверхпроводникового ограничителя тока, расположенный в криостате с жидким азотом, и содержащий два вертикальных токопровода, изолированных от криостата и друг от друга, где токопроводы выполнены коаксиально в виде внешнего и выступающего из него внутреннего токопроводов, разделены газовой изоляцией в виде паров азота и снабжены первым оребренным покрышкой изолятором, отделяющим выступающую часть внутреннего токопровода от внешнего токопровода, и вторым оребренным покрышкой изолятором, отделяющим внешний токопровод от криостата, при этом в верхней части криостата установлен диэлектрический тепловой экран, охватывающий внешний токопровод.
Наиболее близким высоковольтным ВТСП ТОУ к предложенному является токоограничивающее устройство на основе высокотемпературной сверхпроводимости по патенту на полезную модель RU183512.
Токоограничивающее устройство на основе высокотемпературной сверхпроводимости в соответствии сданным патентом содержит цилиндрический криостат, установленную в криостате сборку сверхпроводящих токоограничивающих модулей, соосно размещенных относительно горизонтальной оси криостата, колодцы, размещенные в верхней части криостата и установленные в колодцах подводящий и отводящий изолирование токовводы, где каждый токоввод одним концом соединен со сборкой упомянутых модулей, а вторым концом - с электрической сетью.
Данная полезная модель обеспечивает стабильную эксплуатацию ВТСП ТОУ на напряжении 220 кВ -, а также позволяет упростить конструкцию ВТСП ТОУ. Однако, известная полезная модель обладает следующими недостатками. Высота колодцев, в которые устанавливают изолированные токовводы, рассчитывается исходя из многих факторов, в том числе мощности ВТСП ТОУ, минимализации теплового притока в процессе эксплуатации ВТСП ТОУ, получения максимальных значений электрической прочности токовводов и т.д. и, в силу этих причин, высота для классов напряжений ВТСП ТОУ 110 кВ и выше с колодцами может достигать более 4 метров высоты с учетом упаковки, необходимой для безопасной перевозки груза.
Такая высота колодцев составляет проблемы при транспортировке ВТСП ТОУ, например, на железнодорожном транспорте, где высота перевозимых изделий ограничена высотой - 4 м (ГОСТ 9238-2013).
Все вышеперечисленные недостатки известного технического решения являются технической проблемой при реализации высоковольтных ВТСП ТОУ.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ.
Заявленная полезная модель позволяет устранить данную техническую проблему, а именно, обеспечить удобную организацию логистики к месту монтажа и эксплуатации ВТСП ТОУ при обеспечении стабильной эксплуатации ВТСП ТОУ на напряжениях -110 кВ и выше и упростить конструкцию ВТСП ТОУ. Высоковольтное токоограничивающее устройство на основе высокотемпературной сверхпроводимости, в соответствии с заявленной полезной моделью содержит:
горизонтальный цилиндрический криостате внутренней и внешней стенками и
вакуумируемым объемом между ними,
установленную в криостате сборку соосно размещенных сверхпроводящих токоограничивающих модулей;
колодцы, размещенные в верхней части криостата, где каждый колодец состоит из нижнего колодца, выполненного заедино с криостатом и верхнего съемного колодца, установленного на нижний, соединенных вместе;
вертикально установленные в колодцах подводящий и отводящий изолированные токовводы, где каждый токоввод одним концом соединен со сборкой упомянутых модулей, а вторым концом - с электрической сетью.
В частных воплощениях токоограничивающего устройства нижний колодец может быть выполнен с внутренней и внешней стенками, являющимися продолжением внутренних и внешних стенок криостата.
В иных частных воплощениях полезной модели в токоограничивающем устройстве упомянутые нижний и верхний колодцы могут быть соединены через уплотнительную прокладку посредством крепежных приспособлений.
В высоковольтном токоограничивающем устройстве изолированные токовводы могут выполнены в твердой или газовой изоляции.
Модуль в токоограничивающем устройстве может быть выполнен в виде катушки намотанной высокотемпературной сверхпроводящей ленты второго поколения, упомянутые катушки в сборке модулей -могут быть размещены соосно горизонтальной оси криостата и соединены между собой соединительными шинами. Подводящий токоввод в высоковольтном токоограничивающем устройстве может быть соединен со сборкой модулей посредством подводящей шины, а отводящий токоввод - соединен со сборкой модулей посредством отводящей шины.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение сверхпроводящего ограничителя тока.
На фиг. 2 приведено схематическое изображение колодца. Позиции на фигурах означают следующее:
1. горизонтальный цилиндрический криостат;
2. внутренняя стенка криостата;
3. внешняя стенка криостата;
4. вакуумируемый объем;
5. сборка соосно размещенных сверхпроводящих токоограничивающих модулей;
6. колодец;
7. нижний колодец;
8. верхний съемный колодец;
9. крепежное приспособление;
10. уплотнительная прокладка;
11. подводящий токоввод;
12. отводящий токоввод;
13. подводящая шина;
14. отводящая шина;
15. криогенная среда;
16. заливочное отверстие.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ.
В конструкциях ВТСП ТОУ, применяющихся для последовательного включения в сеть 110 кВ и выше для ограничения токов короткого замыкания, основной проблемой являются габариты конструкции.
Частично это проблема устраняется выполнением горизонтально ориентированного криостата («бочка на боку»), что позволяет компактно разместить в криостате токоограничивающие модули, соосно горизонтальной оси криостата. Однако, проблемой, как указывалось выше, остается высота колодцев для установки в них токовводов.
Поэтому было предложено использовать разборные колодцы, состоящие из двух колодцев, где нижний колодец выполнен заедино с криостатом, а верхний колодец выполнен съемным.
Сочетание в предложенной полезной модели горизонтально ориентированного криостата с соосно установленными токоограничивающими модулями и выполнение колодцев разборными позволяет создать колодец, практически, с любой необходимой высотой, позволяющей достичь оптимального распределения теплопритока и оптимизировать другие эксплуатационные характеристики, а также позволяет разрешить вышеописанную проблему, связанную с организацией логистики ТОУ, что, в конечном итоге, позволит сократить сроки поставки оборудования заказчику и уменьшить расходы.
Предложенное устройство реализуется следующим образом.
Высоковольтное токоограничивающее устройство (см. фиг. 1) на основе высокотемпературной сверхпроводимости включает горизонтальный цилиндрический криостат (1) с внутренней (2) и внешней (3) стенками и вакуумируемым объемом (4) между ними.
В криостате (1) установлена сборка (5) соосно размещенных сверхпроводящих токоограничивающих модулей.
В верхней части криостата (1) размещены колодцы (6), где каждый колодец (6) состоит из нижнего колодца (7), выполненного заедино с криостатом (см. фиг. 2) и верхнего съемного колодца (8), установленного на нижний. Колодцы (7) и (8) соединены вместе.
Соединение может быть осуществлено посредством крепежных приспособлений (9), например, болтов. Для уплотнения между колодцами (7) и (8) может быть размещена уплотняющая прокладка (10), выполненная из упругого материала, например, из резины.
Внутренняя и внешняя стенки нижнего колодца (7), выполненного заедино с криостатом (1), могут быть выполнены таким образом, что будут являться продолжением внутренней (2) и внешней (3) стенок криостата (1). В этом случае вакуумированный объем (4) будет распространяться не только на криостат, но и на нижние колодцы (7).
Откачку воздуха для создания вакуумируемого объема (4) осуществляют через отверстие в корпусе криостата (не показано), связанное с вакуумным насосом (не показан).
В колодцах (6) размещают подводящий (11) и отводящий (12) изолированные токовводы. Изолированные - токовводы (11) и (12) устанавливают вертикально и, каждый из них соединяют со сборкой соосно размещенных сверхпроводящих токоограничивающих модулей (5).
Токовводы (11) и (12) выполнены в изоляции, в наиболее желательных воплощениях полезной модели, выполнены в твердой изоляции, которая представляет собой пропитанный электроизоляционной смолой нетканый гидрофобный материал. Такое выполнение токовводов обеспечивает высокие электроизоляционные, механические и водоотталкивающие свойства.
Однако, заявленная полезная модель не ограничивает также использование любой другой возможной изоляции, например, газовой.
Модуль в сборке модулей (5) может быть выполнен в виде катушки намотанной высокотемпературной сверхпроводящей ленты второго поколения, а упомянутые катушки в сборке модулей (5) в этом случае целесообразно разместить соосно горизонтальной оси криостата. Модули в сборке (5) соединены между собой соединительными шинами.
Подводящий токоввод (11) соединен со сборкой модулей (5) посредством подводящей шины (13), а отводящий токоввод (12) соединен с набором модулей посредством отводящей шины (14). Токковводы (11, 12) подключаются к электрической сети при помощи гибких шин (не показаны). Для заливки в криостат (1) криогенной среды (15) в верхней части криостата установлены заливочные отверстия (16). Криогенная жидкость вводится по трубке (не показана), вставленной в отверстие (16) и выходящей в криостат (1) через отверстия во внутренней стенке криостата.
Монтаж и работа ТОУ осуществляются следующим образом.
ТОУ доставляют к месту монтажа в виде отдельных узлов: криостата (1) с нижним колодцем (7), верхнего съемного колодца (8), сборки модулей (5), токовводов (11) и (12), а также подводящих (13) и отводящих (14) шин и прочих необходимых для монтажа деталей. Криостат (1) устанавливают в месте эксплуатации, затем в криостате размещают сборку модулей (5). На нижний колодец (7) через прокладку (10) устанавливают верхний съемный колодец (8).
В смонтированные колодцы (6) устанавливают подводящий (11) и отводящий (12) токовводы, подсоединяют токовводы (11, 12) через подводящую (13) и отводящую (14) шину к сборке модулей (5).
Из объема (4), заключенного между внутренней и внешней стенками (2, 3) криостата откачивают воздух для создания вакуума, который теплоизолирует криостат (1) и колодец (7) от внешней среды. В криостат (1) через отверстия (16) заливают криогенную среду (15). Через токовводы (11, 12) подключают ТОУ к внешней электрической цепи для его эксплуатации.
Режим ограничения тока является возможным благодаря уникальному свойству сверхпроводников, а именно нелинейности возрастания сопротивления материала. В зависимости от рода и типа сверхпроводника ограничение тока может протекать при разных условиях, с различными потерями и разным временем ограничения, но основной принцип в них один и тот же: при протекании тока выше, чем критический ток заложенного в устройство сверхпроводника, материал начинает переходить из сверхпроводящего состояние в нормальное, вследствие чего возникает сопротивление, препятствующее возрастанию тока.
Таким образом, предложенная полезная модель за счет использования съемного колодца позволяет облегчить организацию логистики, сократит срок поставки оборудования заказчику и уменьшить конечную стоимость оборудования. Кроме того, варьирование высоты съемного колодца позволяет минимизировать теплопритоки и оптимизировать электрическую прочность устройства.