ЭЛЕГАЗОВЫЙ АППАРАТ ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
SF6-INSULATED DEVICE OPERATED AT LOW TEMPERATURES

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим аппаратам высокого напряжения с элегазовой (шестифтористая сера - SF6) электрической изоляцией, в первую очередь к отдельно стоящим баковым и колонковым элегазовым выключателям, измерительным трансформаторам, ячейкам комплектных распределительных устройств (КРУЭ) внутренней и наружной установки с вводами воздух-элегаз.
Широко известно применение жидких теплоносителей для обогрева и охлаждения зданий, транспортных средств. Известно применение жидких теплоносителей для подогрева элегазовых аппаратов, в частности его изоляторов [1]. Здесь в качестве такого теплоносителя выступает сам элегаз в его жидкой и газообразной формах. В этом баковом аппарате сжиженный элегаз на дне бака подогревается электронагревателем и испаряется. Пар поднимается вверх, в том числе в полые вводы, конденсируется на внутренних стенках аппарата, и сжиженный элегаз стекает вниз на дно бака. Тепло, которое получил элегаз при испарении, при конденсации он отдает стенкам и нагревает их. Устанавливается баланс между испаряющимся и конденсирующимся элегазом. Этим предотвращается дальнейшее увеличение количества конденсата и снижение плотности газа и вызванное этим ухудшение электроизоляционных и дугогасительных характеристик аппарата.
Недостатком такого аппарата является то, что для передачи тепла используется часть самого элегаза. Поэтому плотность оставшегося газа может оказаться ниже предельно допустимого уровня. и его работоспособность будет заблокирована. Особенно снизится надежность аппарата, если плотность элегаза в летнее время окажется близкой к нижнему пределу допустимого уровня.
Наиболее близким к предлагаемому решению является элегазовый аппарат [2], содержащий полый изолятор, электронагреватель и дополнительный элемент, выполненный в виде трубы и/или перегородки. Указанные элементы образуют дополнительные каналы, выполняющие внутри вводов функции вытяжных труб для нагретого нагревателем газа. Этим усиливается его циркуляция, передача тепла от газа изолятору и нагрев последнего, чем предотвращается конденсация элегаза, снижение плотности его газовой фазы и ухудшение электроизоляционных и дугогасительных характеристик аппарата.
Недостаток такого решения заключается в том, что из текучих сред газ является не лучшим теплоносителем. Поэтому для предотвращения конденсации в удаленных от нагревателя местах газ вблизи нагревателя необходимо перегревать, что увеличивает расход энергии. Другим недостатком является то, что при наличии в изоляторе каких-либо иных устройств, например экранов во вводах в баковые выключатели, эти устройства могут препятствовать течению газа вблизи отдельных участков изолятора. Здесь может произойти конденсация элегаза, что приведет к снижению плотности газа. Это снижение будет меньше, чем в случае отсутствия указанных труб или перегородок. Тем не менее, в случае если плотность газа в летнее время окажется близкой к минимально допустимому уровню, такая конденсация в зимнее время, особенно при сильном ветре, может снизить надежность работы аппарата. В этом случае плотность газа может снизиться ниже допустимого уровня, что приведет аппарат к повреждению или в неработоспособное состояние вследствие его блокировки.
Задачей изобретения является снижение затрат энергии на поддержание элегазовых аппаратов в зимнее время в работоспособном состоянии и повышение надежности их работы. Указанная задача решается тем, что в элегазовом аппарате для работы при низких температурах, включающем в себя нагреватель, полый изолятор и трубу внутри полого изолятора, указанные изолятор и труба герметично соединены между собой в своих нижних частях непосредственно или посредством других элементов, причем образовавшаяся полость между трубой и изолятором, по меньшей мере частично, заполнена электроизоляционной жидкостью. Указанная полость может включать в себя, по меньшей мере, одну перегородку. Указанная полость может быть дополнительно ограничена эластичной стенкой. Указанный выключатель может включать в себя дополнительную полость-компенсатор термического расширения жидкости. Указанный нагреватель может быть расположен в полости между изолятором и трубой.
Полость, образованная изолятором и трубой и заполненная электроизоляционной жидкостью, позволяет повысить интенсивность передачи тепла изолятору и закрепленным на нем и соприкасающимся с открытым воздухом элементам конструкции, что в свою очередь позволяет снизить температуру и мощность нагревателя.
Передача тепла через жидкость непосредственно изолятору и закрепленным на нем и соприкасающимся с открытым воздухом элементам конструкции предотвращает возможность конденсации элегаза на отдельных участках их поверхностей и вызванное этим снижение плотности газа, что повышает надежность аппарата.
На фиг. 1 представлен подогреваемый баковый элегазовый выключатель с двумя вариантами жидкостного подогрева вводов, на фиг. 2 - подогреваемый колонковый элегазовый выключатель с жидкостным подогревом опорного изолятора и изолятора дугогасительной камеры.
Баковый элегазовый выключатель (фиг. 1) нагревается с помощью электронагревателя 1. Его вводы содержат полые изоляторы 2. Внутри ввода расположена труба 3, выполненная из электроизоляционного материала. В полость 4 налита электроизоляционная жидкость 5. Помимо изолятора 2 и трубы 3 эта полость образована фланцем 6, на котором герметично закреплена труба 3. Фланец 6 герметично закреплен между нижним фланцем 7 изолятора 2 и фланцем 8 бака 9 выключателя. Верх полости 4 в левом вводе открыт и свободно соединяется с внутренними полостями ввода и бака выключателя. На верхнем фланце 10 изолятора 2 герметично закреплена крышка 11 ввода. Между крышкой 11 и трубой 3 имеется зазор. В крышке 11 выполнено отверстие 12 для заливки электроизоляционной жидкости, закрываемое пробкой 13. Крышка 11 одновременно является токоподводом для присоединения проводов воздушной линии. На внутренней стороне крышки закреплен токопровод 14, электрически соединенный с дугогасительным устройством 15 посредством контактных соединений 16. Опорные изоляторы дугогасительного устройства и механизм привода на фиг.1 не показаны. На внутренней стороне фланца 7 установлен экран 17.
Нагрев выключателя в зимних условиях производится следующим образом. При снижении температуры воздуха ниже заданного уровня включается ток в электронагревателе, охватывающем бак в его средней части. Нагреватель 1 нагревает те части бака 9, которые расположены непосредственно под ним. Остальные части бака, в том числе фланец 8, нагреваются за счет высокой теплопроводности металла, из которого изготовлен бак. Затем тепло передается фланцам 6 и 7. Часть поверхности фланца 6 является дном полости 4, и от этого дна тепло передается жидкости 5. Естественно-конвективное движение жидкости передает тепло изолятору 2 и трубе 3, предотвращая тем самым конденсацию элегаза на ней, в том числе на тех поверхностях, которые прикрыты экраном 17. От трубы 3 тепло передается газу во вводе, и поднимающийся из бака теплый газ дополнительно нагревается и в свою очередь нагревает крышку 11 и другие части ввода, не соприкасающиеся с жидкостью.
В предложенном решении в сравнении с прототипом к обычному процессу передачи тепла во ввод, а именно: передача тепла от стенок бака элегазу, затем конвективный подъем нагретого элегаза во ввод, затем передача тепла от газа внутренним стенкам изолятора и крышки, добавляется второй - передача тепла от стенки бака к жидкости, перенос тепла конвективным движением жидкости с последующей его передачей от жидкости стенкам изолятора. Если выполнить на крышке выступы, опускающиеся в жидкость, то и в крышку тепло будет передаваться также и жидкостью. Причем коэффициенты теплопередачи по жидкости многократно превосходят соответствующие коэффициенты для газа. Действие этих двух процессов позволяет снизить перепад температур между баком и изолятором, что приведет к уменьшению потерь тепла в окружающий воздух и снижению необходимой мощности нагревателя. За экраном 17 практически отсутствует конвективное движение газа. Поэтому в прототипе в этом месте будет происходить частичная конденсация газа, что понизит плотность газа и ухудшит надежность аппарата в зимних условиях. В предложенном решении эти места прогреваются жидкостью, конденсации происходить не будет и надежность выключателя не снизится.
На правом вводе выключателя на фиг. 1 представлен другой вариант технического воплощения предложенного решения. Здесь на трубе 3 и токопроводе 14 герметично закреплена манжета 18, выполненная из эластичного материала, например резины. В этом случае между изолятором и трубой образуется замкнутая полость 4а, ограниченная также фланцами, крышкой и манжетой. Эта манжета представляет собой упомянутую дополнительную эластичную стенку. Кроме того, между изолятором 2 и трубой 3 размещено две перегородки 19, идущие в продольном направлении, но не доходящие до торцевых краев замкнутой полости 4а. Наличие манжеты 18 из эластичного материала позволяет полностью заполнять замкнутую полость 4а жидкостью, не беспокоясь о каких-либо неприятностях, связанных с термическим расширением жидкости. Это позволяет обеспечить соприкосновение жидкости со всей площадью поверхности крышки, а это в свою очередь повышает коэффициент теплопередачи к крышке и позволяет дополнительно снизить мощность нагревателя. Вследствие наличия перегородок 19 жидкость 5 приходит в циркуляционное движение, поднимаясь вверх в замкнутой полости с одной стороны от этих перегородок и опускаясь вниз с другой, как это показано стрелками на фиг. 1. Такое движение интенсифицирует теплопередачу и позволяет дополнительно снизить мощность нагрева.
На фиг. 2 показан колонковый элегазовый выключатель, в котором тепло вверх передается жидкостью. В выключателе два изолятора поставлены один на другой. Нижний изолятор 20 является опорным, верхний 21 заключает в себя дугогасительное устройство 22. Изолятор 20 герметично армирован фланцами 23 и 24. На этих же фланцах и внутри изолятора также герметично закреплена электроизоляционная труба 25. Аналогично изолятор 21 заключен между фланцами 26 и 27 и имеет внутри себя трубу 28. Дугогасительное устройство электрически присоединено к токоподводам 29 и 30. Первый располагается между фланцами 24 и 26 изоляторов, второй является одновременно крышкой аппарата. Во фланцах 24, 26 и 27, а также в токоподводах 29 и 30 выполнены сквозные отверстия 31, обеспечивающие свободный проход в полости 32 и 33 между изоляторами и трубами. Над токоподводом 30 размещена полость 34 для компенсации термического расширения жидкости. Эта полость вместе с полостями 32 и 33 посредством отверстий 31 образуют единую полость, заполненную электроизоляционной жидкостью. Причем входящая в нее полость 32 образована изолятором 20 и электроизоляционной трубой 25, герметично соединенными между собой посредством фланца 23. В нижней части полости 32 размещен трубчатый электронагреватель 35 (герметизированный токоподвод к нагревателю на фиг. 2 не показан). Под фланцем 23 размещена нижняя металлическая часть 36 корпуса колонкового выключателя, который герметично соединен с верхней частью посредством фланца 37. Внутри нижней части 36 размещен рычаг 38, насаженный на вал управления 39, с помощью которых производится управление дугогасительным устройством 22 посредством электроизоляционной тяги 40. Необходимая для предотвращения конденсации мощность определяется не только минимально допустимой температурой, но и степенью равномерности ее распределения. Вариант, показанный на фиг.2, позволяет повысить эту равномерность за счет того, что поток тепла идет в две стороны от нагревателя 35. Относительно равномерный нагрев нижней части 36 корпуса достигается за счет высокой теплопроводности металла. Равномерный нагрев верхней части аппарата достигается за счет высокой интенсивности передачи тепла вверх при конвективном движении жидкости. Равномерность такого нагрева лучше, чем в случае, когда нагреватель размещался бы на нижней металлической части корпуса. Однако если изолятор и труба, обладающие малой, в сравнении с металлом, теплопроводностью, непосредственно соединены в своих нижних частях, то место их соединения станет препятствием распространению тепла в нижнюю часть аппарата. В этом случае для равномерности нагрева на нижней части аппарата необходимо размещать второй нагреватель (такой вариант на фиг. 2 не показан).
Эффективность передачи тепла по жидкости можно повысить, если ввести перегородку между восходящими и нисходящими потоками жидкости. Это может быть дополнительная труба. На фиг. 2 представлен вариант, когда эти трубы 41 имеют форму многогранной призмы с поперечным сечением в виде многоугольника. Эти трубы вставлены внутрь изоляторов 20 и 21 и охватывают трубы 25 и 28. Соответственно, отверстия во фланцах 24 и 26 и токоподводе 29 размещаются напротив вершин и середин сторон многоугольника. Восходящий поток будет двигаться по внутренней стороне перегородки, а нисходящий - по внешней. В этом случае выигрыш в снижении мощности нагрева достигается не только за счет более интенсивного конвективного движения жидкости. Восходящий поток нагрет сильнее нисходящего, и он определяет температуру стенок труб 25 и 28, на которых надо предотвращать конденсацию элегаза. Поэтому внутренняя стенка изоляторов 20 и 21 может иметь температуру ниже температуры конденсации элегаза. Соответственно, отдача тепла изоляторами окружающему воздуху снизится, и снизится требуемая мощность нагрева.
Таким образом, применение изоляционных конструкций с двойными стенками и с заполнением промежутка между ними электроизоляционной жидкостью позволяет создать элегазовый аппарат, в котором в зимних условиях предотвращается конденсация элегаза при пониженных, в сравнении с прототипом, затратах энергии на подогрев. Омывание теплонесущей жидкостью всех внутренних частей электроизоляционных конструкций исключает их локальное переохлаждение и локальную конденсацию на них элегаза, что повышает надежность аппарата. Размещение перегородок и нагревателя в жидком теплоносителе позволяет дополнительно снизить затраты энергии. Дополнительное введение эластичных стенок и полостей-компенсаторов термического расширения жидкости повышает надежность работы аппарата с жидким теплоносителем. Другим достоинством данного решения является возможность его применения для нагрева колонковых выключателей. В этом случае у выключателей, заполняемых чистым элегазом, может быть повышена отключающая способность за счет повышения давления газа. В выключателях, работающих на смеси элегаза с иными газами, смесь может быть заменена на чистый элегаз, что снизит эксплуатационные расходы и повысит надежность выключателей.
Источники информации
1. В.В. Курицын, Ю.В. Торопчин, Ю.В. Петровский, B.C. Чемерис. «Перспективы применения баковых элегазовых выключателей», Электротехника, 1990, №10, стр. 13-16.
2. Патент RU №2438205, кл. Н01Н 33/56, 33/02, опубл. 27.12.2011.