КРИОСТАТ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ТРАНСФОРМАТОРА
CRYOSTAT OF SUPERCONDUCTING TRANSFORMER

Изобретение относится к области сверхпроводящего электротехнического и электроэнергетического оборудования и может быть использовано для криостатирования сверхпроводящих обмоток многофазных силовых трансформаторов с плоской магнитной системой.
Известна конструкция криостата для трехфазного сверхпроводящего трансформатора с переключателем ответвлений обмоток. Наружный, внешний корпус криостата изготовлен из металла с прорезями для размещения замкнутых контуров вокруг стержней магнитопровода трансформатора. Внутренняя поверхность криостата покрыта теплоизолирующим диэлектрическим материалом. Силовые конструкционные элементы изготовлены из диэлектрических материалов. Снижение теплопритоков извне осуществляется посредством размещения электрических соединений внутри криостата и теплоизоляции магнитопровода от сверхпроводящих обмоток.
Тороидальные емкости, в которых размещены сверхпроводящие обмотки, насажены на стержни плоского многофазного магнитопровода трансформатора и размещаются в общем внешнем корпусе (Ramanan W.R., Bonman D. «Cryostat for use with a superconducting transformer», International Publication Number WO 01/43148 A1).
Недостатком данной конструкции является наличие прорезей в наружном, внешнем корпусе криостата, вследствие чего снижается механическая прочность внешнего корпуса криостата. В металлическом корпусе криостата имеются дополнительные потери энергии, из-за индуцированных вихревых токов (токов Фуко), возникающих вследствие наличия в обмотках трансформатора магнитных полей рассеяния.
Известна конструкция сверхпроводящего трансформатора, одним из основных элементов которого является тороидальный, цилиндрический криостат, выполненный разборным и изготовленным из ферромагнитного материала (углеродистая сталь).
Наружный корпус криостата одновременно является магнитопроводом сверхпроводящего трансформатора. Внутри наружного корпуса размещены теплоизолирующие стенки (материал - стеклопластик), образующие внутренний корпус криостата. Сверхпроводящие обмотки трансформатора размещены во внутренней стеклопластиковой емкости с хладагентом (пат. США №5107240, М. кл. H01F 27/08, H01F 27/30, 1992).
Данная конструкция криостата сверхпроводящего трансформатора не обеспечивает предотвращение теплопритоков в хладагент, возникающих вследствие тепловыделений в наружном ферромагнитном корпусе криостата из-за наличия магнитных потерь энергии, в переменных магнитных полях.
Техническим результатом, на достижение которого направлено техническое решение является сокращение теплопритоков из окружающей среды через внешнюю тепловую изоляцию тороидальных цилиндрических емкостей к хладагенту (криогенная жидкость - жидкий азот) для уменьшения расхода его испарения и увеличения КПД сверхпроводящего трансформатора.
Указанный технический результат достигается тем, криостат сверхпроводящего трансформатора, состоящий из отдельных тороидальных емкостей, образованных внутренними и внешними вертикальными и соосно расположенными цилиндрами, соединенными плоскими кольцевыми днищами друг с другом, изготовленными из диэлектрического материала, причем число тороидальных емкостей равно числу фаз сверхпроводящего трансформатора, при этом каждая отдельная тороидальная емкость размещена на отдельном стержне плоского многофазного магнитопровода сверхпроводящего трансформатора, и наружные поверхности внешних цилиндров отдельных тороидальных емкостей криостата сверхпроводящего трансформатора снабжены двумя теплоизоляционными блоками из диэлектрического материала, выполненными в виде параллелепипедов, при этом высота параллелепипедов равна высоте отдельных тороидальных емкостей криостата сверхпроводящего трансформатора а длина равна или превышает сумму внешних диаметров отдельных тороидальных емкостей криостата, причем каждый из теплоизоляционных блоков выполнен с вертикальными полостями со стороны примыкающей к наружной поверхности внешних цилиндров тороидальных емкостей криостата, число полостей равно числу отдельных тороидальных емкостей криостата, а формы полостей выполнены повторяющими форму внешних цилиндров тороидальных емкостей по линии соприкосновения с ними в стык, при этом внешние края на стыке между поверхностями внешних вертикальных цилиндров отдельных тороидальных емкостей криостата и вертикальных полостей параллелепипедов заполнены пенополиуретановыми швами.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематически изображен передний вид предложенного криостата сверхпроводящего трансформатора (число фаз равно трем), на фиг. 2 - его вид сверху с разрезом по горизонтальному сечению A-A, на фиг. 3 - вертикальный разрез по сечению Б - Б, на фиг.4 - передний вид, а на фигуре 5 - вид сверху теплоизоляционных блоков отдельных тороидальных емкостей криостата, соответственно.
Криостат 1 сверхпроводящего трансформатора, размещенный на стержнях плоского многофазного магнитопровода 2 сверхпроводящего трансформатора состоит из трех отдельных тороидальных емкостей 3, образованных внутренними 4 и наружными 5 вертикальными соосно расположенными цилиндрами, изготовленными из твердого диэлектрического материала, например из стеклотекстолита, соединенными между собой плоскими круглыми днищами 6, имеющими круглые отверстия в середине для стержней магнитопровода 2 сверхпроводящего трансформатора и, также как и цилиндры, изготовленными из диэлектрического материала. Внутренние 4 и наружные 5 цилиндры тороидальных емкостей 3 имеют равную толщину стенок и соответственно равные диаметры. Тороидальные емкости 3 криостата 1 закрываются равными по диаметру и толщине плоскими круглыми крышками 7, имеющими как и днище 6 круглые отверстия в середине для стержней магнитопровода 2. К внешним поверхностям наружных вертикальных цилиндров 5 тороидальных емкостей 3 криостата 1 сверхпроводящего трансформатора 1 посредством клеевого соединения прикреплены теплоизоляционные блоки 8 и 9 из диэлектрического материала, выполненные в виде параллелепипедов, высота которых h равна высоте отдельных тороидальных емкостей 3 криостата 1, а длина ℓ равна или превышает сумму длин внешних диаметров отдельных тороидальных емкостей 3 криостата 1, причем каждый из теплоизоляционных блоков 8 и 9 выполнен с вертикальными полостями со стороны, примыкающей к наружной поверхности внешних цилиндров 5 тороидальных емкостей 3 криостата 1, число полостей равно числу отдельных тороидальных емкостей 3 криостата 1, а формы полостей выполнены повторяющими форму внешних цилиндров 5 тороидальных емкостей 3 по линии соприкосновения с ними в стык. Внешние края на стыке 10 между поверхностями внешних вертикальных цилиндров 5 отдельных тороидальных емкостей 3 криостата 1 и вертикальными полостями параллелепипедов заполнены пенополиуретановыми швами.
Материалом для изготовления криостата сверхпроводящего трансформатора (тороидальных емкостей с крышками, теплоизоляционных блоков) является пенополиуретан, имеющий при затвердевании достаточно механическую прочность, необходимую для изготовления неметаллических криостатов и малую теплопроводность, обеспечивающую низкий теплоприток к хладагенту (жидкий азот) из окружающей среды.
Технология изготовления изделий из вспенивающегося пенополиуретана аналогична технологии изготовления изделий методом литья.
Криостат сверхпроводящего трансформатора, состоящий из отдельных тороидальных емкостей снабженный дополнительной теплоизоляцией из теплоизоляционных пенополиуретановых блоков, прикрепленных к внешним поверхностям отдельных тороидальных емкостей имеет значительно большую толщину внешнего слоя тепловой изоляции, не имеющую ограничений в плоскости перпендикулярной горизонтальной оси симметрии плоского стержневого магнитопровода сверхпроводящего трансформатора и тем самым уменьшает теплоприток извне в зону нахождения хладагента, что приводит к уменьшению его расхода и увеличение КПД сверхпроводящего трансформатора.
Применение криостата сверхпроводящего трансформатора с существенно низкими теплопритоками увеличит КПД сверхпроводящего трансформатора и технико-экономические показатели энергосистемы в которой такой трансформатор будет использован.