ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ ТОКООГРАНИЧИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ

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 220 кВ для ограничения токов короткого замыкания. Уровень техники.
Токоограничивающее устройство на основе высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) 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, содержащее 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 ТОУ к предложенному является сверхпроводящий ограничитель тока в соответствии с заявкой на патент US 2008119077.
Сверхпроводящий ограничитель тока содержит криостат с внутренней и внешней стенками, определяющими пространство, в котором размещена криогенная жидкость. Внутри криостата установлен набор модулей сверхпроводящего ограничителя тока. В верхней части криостата размещены колодцы для токовводов. Токовводы размещены в колодцах и представляют собой проводники из меди или алюминиевого сплава с изоляцией: непосредственно на проводник нанесена электрически изолирующая оболочка, например, из эпоксидной смолы, за ней располагается электропроводящий экран из металла, функцией которого является ограничение электрического поля вдоль проводника непосредственно - в колодце и все это заключено в изолирующий корпус, выполненный, например, из эпоксидной смолы, армированной стекловолокном. Каждый из токовводов подключен через первый соединительный вывод к источнику тока (линии электропередачи) и через второй соединительный вывод - к модулям. Токовводы в колодцах установлены таким образом, что расстояние между первыми соединительными выводами больше, чем расстояние между вторыми соединительными выводами (иными словами - оба токоввода расположены с наклоном относительно вертикали). Как полагают авторы известного изобретения, такая конструкция ТОУ позволяет снизить риск появления электрического разряда между концами токовводов при высоких напряжениях, не увеличивая при этом размеров ТОУ. Однако, на наш взгляд, известный ограничитель обладает следующими недостатками.
Использование вертикального расположения криостата при большем классе напряжения 110 кВ и выше является нецелесообразным и неудобным, если использовать вертикальное расположение, то высоковольтные вводы должны располагаться горизонтально или под наклоном друг от друга относительно вертикали.
Для обеспечения электрической прочности, из-за безопасного изоляционного расстояния от ввода до земли криостат будет довольно высоким, из-за вводов, которые располагаются горизонтально увеличивается длина криостата. Помимо увеличения габаритов криостата, также неудобно подключение ЛЭП к высоковольтным вводам. Использовать расположение высоковольтных вводов под наклоном друг от друга также не целесообразно, т.к. при классах напряжения 110 кВ и выше высоковольтные вводы невозможно разместить на колодцах, из-за габаритов вводов, его веса и есть большая вероятность испортить твердую изоляцию при монтаже.
Вышеперечисленные недостатки известного технического решения являются технической проблемой при реализации высоковольтных ТОУ. Раскрытие сущности полезной модели.
Заявленная полезная модель позволяет устранить данную техническую проблему, а именно, позволяет обеспечить стабильную эксплуатацию ВТСП ТОУ на напряжениях 220 кВ и более, а также упростить конструкцию ВТСП ТОУ. Высоковольтное токоограничивающее устройство на основе высокотемпературной сверхпроводимости в соответствии с заявленной полезной моделью содержит:
горизонтальный цилиндрический криостат с внутренней и внешней стенками, образующими объем для размещения криогенной среды;
установленную в криостате ВТСП сборку соосно размещенных сверхпроводящих токоограничивающих модулей;
колодцы, размещенные в верхней части криостата и выполненные заедино с криостатом;
вертикально установленные в колодцах подводящий и отводящий токовводы, где каждый токоввод одним концом соединен со сборкой упомянутых модулей, а вторым концом - с электрической сетью;
при этом, каждый упомянутый токоввод представляет собой электрический проводник, содержащий последовательно расположенные изолирующую оболочку, выполненную из пропитанного электроизоляционной смолой нетканого гидрофобного материала и монолитную защитную оболочку из диэлектрического эластичного материала.
В частных воплощениях полезной модели токоограничивающего устройства модуль 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.
В других воплощениях полезной модели подводящий токоввод соединен со сборкой модулей посредством подводящей шины, а отводящий токоввод соединен с набором модулей посредством отводящей шины. Монолитная защитная оболочка в частных воплощениях полезной модели может быть выполнена из полиэтилена.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение сверхпроводящего ограничителя тока.
На фиг. 2 приведено схематическое изображение высоковольтного токоввода.
Позиции на фигурах означают следующее:
1. горизонтальный цилиндрический криостат,
2. внутренняя стенка криостата,
3. внешняя стенка криостата,
4. объем для размещения криогенной среды,
5. набор соосно размещенных сверхпроводящих токоограничивающих модулей,
6. технологическое отверстие для заливки криогенной среды,
7. колодец,
8. подводящий токоввод,
9. отводящий токоввод,
10. подводящая шина,
11. отводящая шина,
12. электрический проводник,
13. изолирующая оболочка,
14. защитная оболочка.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ.
В предлагаемой нами конструкции ВТСП ТОУ, включающей горизонтальный цилиндрический криостат с расположенной внутри него ВТСП сборкой токоограничивающих модулей и высоковольтные токовводы, токоввод представляет собой электрический проводник из меди, алюминия или сплавов на основе меди или алюминия, у которого электроизолирующая оболочка выполнена из пропитанного электроизоляционной смолой нетканого гидрофобного полимерного материала, а защитная монолитная оболочка - из диэлектрического эластичного материала.
Такое выполнение токовводов обеспечивает высокие электроизоляционные, механические и водоотталкивающие свойства, а выполнение криостата в виде горизонтального цилиндра («бочка на боку») позволяет снизить риск появления электрического разряда между концами токовводов при высоких напряжениях, что, в совокупности, позволяет стабильно эксплуатировать заявленный ВТСП ТОУ при высоких напряжениях сети.
Как следует из фиг. 1, ВТСП ТОУ содержит горизонтальный цилиндрический криостат (1) с внутренней (2) и внешней (3) стенками, образующими объем (4) для размещения криогенной среды.
В криостате (1) установлена ВТСП сборка (5) из соосно размещенных токоограничивающих модулей.
Криогенная среда заливается в объем (4) с помощью технологических отверстий (6).
В верхней части криостата (1) расположены колодцы (7).
Во колодцах (7) вертикально установлены подводящий (8) и отводящий (9) токовводы. Каждый из токовводов (8, 9) одним концом соединен со сборкой (5) упомянутых модулей, а вторым концом - с электрической сетью (не показана). Соединение токовводов (8, 9) со сборкой модулей ВТСП ТОУ (5) осуществляется с помощью, соответственно, подводящей (10) или отводящей (11) шин, представляющих собой плетеные медные провода.
Как следует из фиг. 2, каждый токоввод - подводящий (8) или отводящий (9) представляет собой электрический проводник (12), содержащий последовательно расположенные изолирующую оболочку (13), выполненную из пропитанного электроизоляционной смолой нетканого гидрофобного полимерного материала и монолитную защитную оболочку (14), выполненную из диэлектрического эластичного материала.
Под нетканым материалом в уровне техники понимается материал из волокон или нитей, соединенных между собой без применения методов ткачества.
В качестве нетканого гидрофобного материала можно использовать материал, полученный из гидрофобных волокон, таких, например, как полиэфирные, полипропиленовые, полиэтиленовые, поливинилхлоридные, полиакрилонитрильные, полиолефиновые и др.
В качестве смолы для пропитки может быть использована любая электроизоляционная смола, например, фенолформальдегидная, эпоксидная и пр.
В качестве диэлектрического материала для защитной оболочки (14) могут быть использованы, например, такие материалы как кремнийорганическая (силиконовая) смола, этиленпропиленовая смола, полиуретан, полиэтилен. Нами использовался полиэтилен, как недорогой и технологичный материал. ВТСП сборка (5) соосно размещенных токоограничивающих модулей состоит из отдельных модулей, каждый из которых может быть выполнен в виде катушки с намотанной высокотемпературной сверхпроводящей лентой второго поколения. ВТСП ленты 2 поколения в последнее время получили большое распространение благодаря высоким значениям плотности тока, температуре перехода в сверхпроводящее состояние выше 77 К.
Если в ВТСП ТОУ будет использована сборка из модулей в виде вышеописанных катушек, то набор модулей целесообразно разместить соосно горизонтальной оси криостата. В этом случае мы получим наиболее эргономичное размещение сборки модулей (5) в криостате (1). Изобретение осуществляется следующим образом.
В криостат (1) устанавливается ВТСП сборка (5) токоограничивающих модулей, где каждый модуль выполнен в виде вышеописанной катушки с намотанной ВТСП лентой второго поколения. Модули соединены между собою соединительными шинами. В колодцы (7) устанавливают подводящий токоввод (8) и отводящий токоввод (9), каждый из которых включает проводник (12), изолирующую оболочку (13) из нетканого материала, пропитанного эпоксидной смолой и защитную облочку (14) из полиэтилена.
Нижние концы токовводов (8, 9) подключают через шины (10, 11) к сборке (5) модулей, а верхние - к источнику электрического тока, например, к линии электропередачи.
В технологические отверстия (6) заливают жидкий азот и включают ток.
Заявленный ВТСП ТОУ 220 кВ прошел испытания в Корее, в испытательном центре KERI, где был подвергнут следующим испытаниям:
- грозовой импульс - 950 кВ;
- повышенное напряжение промышленной частоты - 440 кВ;
- замер частичных разрядов - 220 кВ;
- повышенное напряжение промышленной частоты под дождем - 360 кВ.
ВТСП ТОУ 220 кВ - первое подобное высоковольтное устройство в мире. Предыдущим высоковольтным устройством являлось ТОУ 154 кВ, Сеул, Корея, но оно испытывалось при меньших значениях напряжения.