БАКОВЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АППАРАТ С ГАЗОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
TANK-TYPE ELECTRIC APPARATUS WITH GAS INSULATION

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим аппаратам высокого напряжения, в первую очередь к электрическим аппаратам с элегазовой электрической изоляцией.
К таким аппаратам можно отнести баковые элегазовые выключатели, измерительные трансформаторы с элегазовой изоляцией, элегазовые ограничители напряжения, комплектные распределительные устройства, предназначенные для установки на открытом воздухе. К этой же группе можно отнести силовые трансформаторы с элегазовой изоляцией.
При эксплуатации электрических аппаратов в районах с холодным климатом с нижней рабочей температурой окружающего воздуха -60°С у всех видов баковых электрических аппаратов с элегазовой изоляцией необходимо иметь или крайне низкое давление элегаза, что отрицательно скажется на изоляционных и других характеристиках аппаратов, или осуществлять подогрев элегаза, начиная с определенной температуры. Обычно для предотвращения конденсации элегаза при температуре ниже минус 30°С подогрев элегаза в баковых электрических аппаратах осуществляют с помощью нагревателей.
Известен баковый элегазовый выключатель (В.В.Курицын, Ю.В.Торопчин, Ю.В.Петровский, В.С.Чемерис. Перспективы применения баковых элегазовых выключателей. Электротехника, 1990, №10, стр.13-16), состоящий из бака с расположенной в нем контактной системой и двух вводов. Баковый элегазовый выключатель (далее - выключатель) заполнен газообразным элегазом и предполагает работу при низких температурах. Для этого он снабжен двумя нагревателями, размещенными в нижних патрубках бака, закрытых крышками, собирающих конденсирующийся элегаз.
При снижении температуры окружающей среды элегаз частично конденсируется на внутренних холодных поверхностях выключателя, а плотность элегаза при этом снижается. Для обеспечения гарантированной работы выключателя нагреватели включаются до момента достижения элегазом допустимого значения минимальной плотности.
Сжиженная часть элегаза, собравшаяся в патрубках, начинает непрерывно испаряться, а элегаз под действием начавшегося роста давления конденсируется на стенках выключателя, выделяя скрытую теплоту конденсации и, тем самым, нагревая их. Причем интенсивность конденсации и нагрева будет определяться интенсивностью охлаждения, и благодаря этому внутренние стенки выключателя будут нагреваться преимущественно одинаково.
Такая система подогрева позволяет минимизировать мощность подогрева. Недостатком такого выключателя является необходимость заполнения его избыточным количеством элегаза, чтобы при всех погодных условиях внутри выключателя находился сжиженный элегаз для предотвращения перегрева и перегорания нагревателей. Помимо этого не предусмотрена система снижения теплоотдачи при низких температурах.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является баковый электрический аппарат с газовой изоляцией, состоящий, по меньшей мере, из одного бака, по меньшей мере, с одним электрическим вводом, токопроводящей системы высокого напряжения, расположенной внутри бака и изолированной от его стенок газообразной средой, и нагревателя указанного бака (Каталог продукции "Энергомаш (Екатеринбург) - Уралэлектротяжмаш", стр.5-7. Выключатель элегазовый баковый типа ВЭБ-110 11*, рис.1).
В данном случае это трехполюсный элегазовый выключатель. Каждый полюс выключателя выполнен в виде металлического бака с двумя электрическими вводами. Каждый бак снабжен устройством электроподогрева, которое включается при отрицательных температурах окружающей среды (минус 25°С), соответствующих условиям конденсации элегаза в электрическом аппарате. Это предотвращает снижение плотности газообразного элегаза в электрическом аппарате ниже минимального допустимого уровня, обеспечивающего требуемую отключающую способность и электрическую прочность газовой электрической изоляции. Включение и отключение нагревателя осуществляется от датчика - реле температуры окружающего воздуха.
Недостатком электрического аппарата является то, что в нем не предусмотрены меры по снижению теплоотдачи, особенно в условиях сильного ветра, когда теплоотдача может увеличиться в несколько раз. При этом, поскольку тепло к внутренним стенкам электрического аппарата передается от нагревателя с помощью только конвективных потоков газа без его конденсации, их нагрев будет существенно неравномерным. Особенно слабым будет нагрев в тех местах, куда доступ конвективным потокам элегаза затруднен. Для обеспечения необходимого нагрева этих мест требуется повышенный нагрев элегаза, что увеличивает требуемую мощность нагревателя.
Для надежности работы энергосистем, в которых используются данные электрические аппараты, необходимо, чтобы они оставались способными выполнять свои основные функции в течение двух часов после аварийного отключения обогрева (International standard IEC 62271-1, ed.l0, 2007, p.46, item 5.4.4.1). При интенсивной теплоотдаче и, следовательно, большой мощности нагревателей время остывания аппарата до уровня, при котором плотность газа вследствие его конденсации упадет ниже допустимого уровня, может стать недопустимо коротким, а это скажется на снижении надежности работы энергосистем, поскольку снижается время на принятие оперативных решений.
Техническим результатом изобретения является снижение мощности нагревателей бакового электрического аппарата с газовой изоляцией и повышение надежности работы энергосистем при низких температурах и сильном ветровом воздействии путем снижения теплоотдачи холодных поверхностей электрического аппарата.
Указанный технический результат достигается тем, что в баковом электрическом аппарате с газовой изоляцией, состоящем, по меньшей мере, из одного бака, по меньшей мере, с одним электрическим вводом, токопроводящей системы высокого напряжения, расположенной внутри бака и изолированной от его стенок газообразной средой, и нагревателя бака, новым является то, что указанный аппарат снабжен, по меньшей мере, одним ветрозащитным экраном, охватывающим боковые поверхности бака, прикрепленным к нему с помощью держателей, и дополнительными вспомогательными ветрозащитными экранами, при этом между ветрозащитным экраном и баком вверху и внизу имеются проходные зазоры.
Вспомогательный ветрозащитный экран расположен внизу вокруг электрического ввода.
Вспомогательный ветрозащитный экран расположен на крышке электрического ввода.
Ветрозащитный экран содержит вспомогательные ветрозащитные экраны, выполненные в виде торцевых перегородок.
Ветрозащитный экран содержит вспомогательные ветрозащитные экраны, выполненные в виде кольцевых ребер.
Ветрозащитный экран содержит вспомогательные ветрозащитные экраны, выполненные в виде перемычек, представляющих собой сегмент.
Введение ветрозащитных экранов позволяет решить две противоположные задачи. С одной стороны - предотвратить ухудшение теплоотвода от электрических аппаратов в жаркое время года в безветренную погоду, когда они нагреваются за счет прохождения рабочего тока. С другой стороны - значительно сократить потери тепла в зимнее время при сильном ветре в отсутствие рабочего тока, когда подогрев осуществляется только нагревателем. Возможности применения теплоизоляции в этом случае ограничены, так как она ухудшит работу аппарата в летнее время.
Применение ветрозащитных экранов способствует уменьшению скорости обдува нагреваемых частей электрического аппарата, и за счет этого уменьшается коэффициент теплоотдачи от них. В то же время их применение практически не влияет на теплоотдачу в безветренную летнюю погоду.
Применение ветрозащитных экранов вблизи баков позволяет уменьшить коэффициент теплоотдачи металлических частей электрического аппарата, повысить их температуру и, как следствие, это ведет к повышению температуры элегаза, а это в свою очередь повышает температуру мест, не защищаемых экранами, в частности изоляторов вводов.
Повышение температуры всех внутренних поверхностей электрического аппарата при сохраняющейся мощности нагрева приведет к увеличению времени сохранения его работоспособности при аварийном отключении нагрева, поскольку он будет дольше остывать до момента начала конденсации газа за счет уменьшения теплоотдачи металлических частей, а увеличение времени работоспособного состояния напрямую связано с повышением надежности работы энергосистем, поскольку у обслуживающего персонала будет больше времени для принятия оперативных решений и действий по предотвращению развития аварий.
И, наоборот, при отсутствии необходимости в увеличении указанных времен, применение ветрозащитных экранов позволяет уменьшить мощность нагревателей и экономить электроэнергию при сохранении прежней температуры нагрева в наиболее холодных местах электрического аппарата.
На фиг.1 изображен первый вариант бакового электрического аппарата с одним электрическим вводом с ветрозащитным экраном, окружающим бак.
На фиг.2 изображена высоковольтная часть полого электрического ввода с крышкой, снабженного дополнительным ветрозащитным экраном.
На фиг.3 изображен второй вариант бакового электрического аппарата с двумя электрическими вводами, с ветрозащитными экранами, расположенными по обеим сторонам горизонтально расположенного бака.
На фиг.4 изображен предыдущий вариант бакового электрического аппарата, что на фиг.3, с ветрозащитными экранами, а также с торцевыми перегородками и кольцевыми ребрами между экранами и баком, и перемычками между экранами.
В качестве примера бакового электрического аппарата с подогревом и ветрозащитным экраном может служить элегазовый измерительный трансформатор напряжения (фиг.1). Количество баков и вводов такого трансформатора зависит от количества фаз сети. В данном случае показан однофазный трансформатор.
Представленный трансформатор напряжения содержит металлический бак 1, внутри которого расположена токопропроводящая система 2, трансформирующая высокое напряжение в низкое. В верхней части бака расположен один высоковольтный полый электрический ввод 3, в состав которого входит изолятор 4 с крышкой 5 и токопровод 6 для подвода напряжения к токопроводящей системе. Бак с полым электрическим вводом заполнен газообразной средой - элегазом, изолирующим высоковольтную часть токопроводящей системы с токопроводом от внутренних поверхностей электрического аппарата. Электронагреватель 7 расположен внизу между опорами 8 бака. Трансформатор напряжения снабжен ветрозащитным экраном 9, охватывающим боковые поверхности бака. Ветрозащитный экран прикреплен к баку с помощью держателей 10. Между экраном и баком вверху и/или внизу имеются проходные зазоры. Низковольтная сторона токопроводящей системы трансформатора соединена с металлическим баком проводником 11.
Внизу вокруг электрического ввода 3 расположен вспомогательный ветрозащитный экран 12, выполненный в виде кольцевой пластины или конуса (не показан). Крышка 5 электрического ввода (фиг.2) снабжена дополнительным вспомогательным ветрозащитным экраном 13, который частично закрывает ее. В центре экрана находится проходное отверстие, необходимое для теплоотвода летом.
2
2
При эксплуатации трансформаторов напряжения наружной установки ветер, дующий горизонтально, обтекает ветрозащитный экран 9. В результате внутрь ветрозащитного экрана в пространство между ним и баком через проходные зазоры попадают только турбулентные вихри, имеющие значительно, в несколько раз меньшую среднюю скорость в сравнении со скоростью ветра. Расчеты показали, что можно выбрать такой размер проходных зазоров в ветрозащитном экране внизу и вверху вокруг электрического ввода, что коэффициент теплоотдачи от бака при ветре до 20 м/с и температуре воздуха -40°С, который в отсутствие экрана близок к 80 Вт/м·К, станет близок к коэффициенту теплоотдачи в безветренную погоду, т.е. к 10 Вт/м·К.
В электрических аппаратах с элегазовой изоляцией с одним электрическим вводом, таких как трансформатор напряжения или ограничитель перенапряжения, в которых в рабочем режиме выделяется небольшая, порядка 100 Вт, мощность и нет проблем с их охлаждением в летнее время, ветрозащитный экран 9 может быть выполнен без проходных зазоров в верхней части, т.е. полностью охватывающим электрический ввод 3.
В случае, когда по конструктивным или иным соображениям проходной зазор в верхней части ветрозащитного экрана необходимо оставить, то вокруг электрического ввода в его нижней части целесообразно разместить вспомогательный ветрозащитный экран 12. Он уменьшит интенсивность ветровых струй, заходящих в пространство между баком 1 и ветрозащитным экраном 9 вследствие отражения ветра от электрического ввода 3.
Необходимо отметить, что описанное выше влияние ветрозащитных экранов на снижение теплоотдачи касается только тех элементов электрических аппаратов, которые этими элементами защищены. Электрические вводы, как правило, невозможно закрыть экранами, и на потери тепла через них ветрозащитные экраны, в основном, влияния не оказывают.
Наиболее затруднительно поступление тепла от нагревателя к крышке 5 полого газонаполненного электрического ввода. Это тепло поступает с конвективными потоками нагретого элегаза, поднимающегося вверх навстречу опускающемуся элегазу, охладившемуся у крышки 5, у поверхности токопровода 6 и у внутренней поверхности изолятора 4. В то же время коэффициент теплоотдачи от элегаза к воздуху через крышку немного больше, чем через изолятор, так как у металла крышки теплопроводность намного больше, чем у изоляционного материала. Дополнительный вспомогательный ветрозащитный экран 13 (фиг.2) снижает скорость потоков воздуха у части поверхности крышки. Благодаря этому, отвод тепла через крышку и токопровод 6 уменьшается. Поэтому при той же интенсивности подвода тепла конвективными потоками элегаза к крышке обеспечивается более сильный нагрев ее и верхней части токопровода. Более сильный нагрев означает, что при аварийном отключении нагревателя температура этих деталей снизится до температуры начала конденсации элегаза за более длительное время. И, наоборот, при возможности сохранения времени остывания применение ветрозащитных экранов 9, 12, 13 позволит уменьшить мощность нагрева.
В качестве примера бакового электрического аппарата с элегазовой изоляцией с двумя вводами может служить полюс элегазового бакового выключателя (фиг.3 и 4).
Здесь обозначения те же, что и на фиг.1. Отличием является то, что металлический бак 1 электрического аппарата, имеющий цилиндрическую форму, расположен горизонтально. Нагреватель 7 расположен вокруг бака между электрическими вводами. Электрический аппарат имеет два ветрозащитных экрана 9, расположенных по разные стороны от бака вдоль него. Между экранами сверху и снизу имеются зазоры для свободной конвекции воздуха в вертикальном направлении. Нагреватель 7 с наружной стороны прикрыт теплоизолятором 14. Ветрозащитные экраны 9 крепятся к баку с помощью держателей 10 или с помощью теплоизолятора 14.
В электрическом аппарате с двумя вводами ветрозащитные экраны могут быть снабжены перегородками 15 по торцам бака, закрывающими открытый промежуток между экранами и баком.
Между баком и/или нагревателем и ветрозащитными экранами могут быть расположены несколько дополнительных кольцевых ребер 16, перекрывающих в радиальном направлении частично или полностью промежуток между ветрозащитными экранами и нагревателем или баком (на показано). Между самими ветрозащитными экранами также может быть расположено несколько перемычек 17 в виде сегмента, соединяющих ветрозащитные экраны в верхней и/или нижней частях. Торцевые перегородки 15, кольцевые ребра 16 и перемычки 17 выполняют функции вспомогательных ветрозащитных экранов.
Поддержание температуры в электрическом аппарате с двумя вводами, препятствующей развитию конденсации газа, осуществляется следующим образом. При поперечном обдуве аппарата ветром за ветрозащитными экранами вокруг бака образуется застойная зона, возмущаемая срывающимися с краев экранов вихрями. Поэтому теплоотдача от бака определяется интенсивностью этих вихрей. Подбором формы экранов и зазора сверху и снизу между ними можно добиться того, что коэффициент теплоотдачи от бака при обдуве ветром станет сравнимым с коэффициентом теплоотдачи в безветренную погоду.
Теплоотдача при направлении ветра, близком к продольному направлению по отношению к баку для длинного цилиндра меньше, чем при поперечном направлении. Тем не менее, применение ветрозащитных экранов позволяет добиться того, что поперечный ветер будет охлаждать аппарат меньше, чем продольный. Эту разницу можно уменьшить, если зазор между нагревателем 7 и ветрозащитными экранами 9 будет полностью заполнен теплоизолятором 14 (фиг.3). Если этой меры недостаточно, то можно вводить дополнительные торцевые перегородки 15, кольцевые ребра 16 и/или перемычки 17 (фиг.4), ослабляющие движение воздуха в пространстве между экранами и баком при продольном направлении ветра.
При продольном направлении ветра он, ударяясь в колонну электрического ввода, будет расходиться по разным направлениям, в том числе вниз, в сторону бака, увеличивая его теплоотдачу. Для ослабления таких струйных потоков целесообразно, чтобы края ветрозащитных экранов 9 вблизи электрических вводов 3 выдвигались дальше вперед и смыкались между собой, как это показано на разрезе А-А на фиг.4. Этим создается препятствие для образования струи, дующей вниз. Тот же эффект достигается, если электрические вводы 3 имеют вспомогательные ветрозащитные экраны 12 как на фиг.1, перекрывающие верхний проходной зазор ветрозащитного экрана 9 внизу электрических вводов.
Выбором количества дополнительных кольцевых ребер 16 и перемычек 17, применением вспомогательных ветрозащитных экранов 12 можно также добиться снижения коэффициента теплоотдачи от бака при продольном направлении ветра практически до уровня, соответствующего уровню безветренной погоды.
Газодинамические расчеты показали, что в климатических условиях России наиболее тяжелыми погодными условиями для работы таких аппаратов являются условия при температуре воздуха -40°С и скорости ветра 20 м/с.
Применение экранов в этих условиях позволяет уменьшить теплоотдачу от бака в 5-10 раз, приблизив ее к значениям, соответствующим безветренной погоде. Если в электрических аппаратах используют твердотельные вводы, то во столько же раз может быть уменьшена мощность нагревателя.
При использовании электрических аппаратов с газонаполненными вводами самая низкая температура будет на крышке ввода. Использование ветрозащитных экранов около бака повышает интенсивность теплоподвода к крышке полого электрического ввода в два раза, не увеличивая при этом мощность нагревателя. Применение ветрозащитного экрана на крышке электрического ввода уменьшает интенсивность теплоотвода от нее еще в два раза.
При использовании прежней мощности нагрева, но с применением ветрозащитных экранов, время остывания электрического аппарата до момента начала конденсации элегаза увеличивается приблизительно вдвое.