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

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим аппаратам с газовой, преимущественно элегазовой (SF6) изоляцией.
Недостатком всех электрических аппаратов с элегазовой изоляцией является то, что при низких температурах этот газ сжижается, вследствие чего его плотность в газообразном состоянии уменьшается. Например, если элегазовый выключатель должен иметь минимальную плотность газа, соответствующую давлению 0,5 МПа при +20°C, то уже при температуре ниже -30°C плотность газа снижается ниже этого минимального уровня. Для предотвращения конденсации газа обычно применяют нагрев таких аппаратов.
Известна конструкция бакового элегазового выключателя (В.В.Курицын, Ю.В.Торопчин, Ю.В.Петровский, B.C.Чемерис, Перспективы применения баковых элегазовых выключателей. Электротехника, 1990, №10, стр.13-16 /1/), состоящего из бака, системы коммутации тока, расположенной внутри этого бака, двух вводов, привода и электронагревателей, размещенных в нижних патрубках бака выключателя.
Передача тепла от электронагревателей к внутренним стенкам в этом аппарате происходит за счет испарения сжиженного элегаза из этих патрубков, конвективного движения образовавшегося газа с его последующей конденсацией на внутренних стенках аппарата. Этим обеспечивается практически одинаковый нагрев внутренних стенок, поскольку скорость конденсации определяется интенсивностью теплоотдачи с различных элементов выключателя в окружающий воздух. Вследствие этого мощность электронагревателя может быть выбрана наиболее оптимальной, поскольку при самых тяжелых погодных условиях температура поверхности аппарата во всех местах будет одинаковой и определяться мощностью электронагревателя и погодными условиями.
Недостатком такого аппарата является необходимость заполнения его избыточным количеством элегаза, для создания избыточного давления газа. Зимой при включенных электронагревателях это необходимо для создания некоторого количества элегаза в жидкой фазе независимо от погодных условий, то есть и при отсутствии ветра, и не слишком низкой температуре, но близкой, в соответствии с кривой насыщения, к достижению нижнего предела давления. Иначе при полном испарении элегаза электронагреватели могут выйти из строя. Избыточное давление ведет к удорожанию аппарата не только за счет излишнего расхода элегаза, но и за счет стоимости дополнительного количества конструкционных материалов для обеспечения необходимой механической прочности при изготовлении такого аппарата.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является баковый электрический аппарат с газовой изоляцией, содержащий, по меньшей мере, один металлический бак с расположенной в нем токопроводящей системой, по меньшей мере, один патрубок с установленным на нем газонаполненным вводом, состоящим из полого изолятора и токопровода с крышкой ввода, и электронагреватель бака (Каталог продукции «Энергомаш (Екатеринбург) - Уралэлектротяжмаш», стр.7, рис.1 Выключатель элегазовый баковый типа ВЭБ-110 II*, /2/).
В данном случае это баковый элегазовый выключатель. Электронагреватель бака включается при отрицательной температуре окружающего воздуха, превышающей температуру начала конденсации элегаза (-25°C). Этим предотвращается снижение плотности газообразного элегаза ниже минимально допустимого уровня, обуславливающего требуемую отключающую способность выключателя и его электрическую прочность. Включение и отключение электронагревателя осуществляется от датчика-реле температуры окружающего воздуха.
К недостаткам данного аппарата относится то, что тепло в нем передается конвективным путем без участия конденсационного процесса, что не позволяет проводить равномерный нагрев всех внутренних поверхностей аппарата. Те места, куда подход конвективных потоков затруднен, нагреваются меньше. Это, прежде всего, газонаполненные вводы, поскольку в них потоку поднимающегося вверх нагретого элегаза из бака препятствует опускающийся уже охлажденный элегаз, отдавший свое тепло стенкам ввода. Вследствие этого стенки газонаполненного ввода (особенно в его верхней части - крышке ввода) нагреваются меньше, чем сам бак. Исходя из этого для поддержания температуры его стенок выше температуры конденсации газа элегаз в баке и сам бак необходимо нагревать до более высоких температур и, соответственно, увеличивать мощность электронагревателя.
Другой недостаток связан с указанной выше необходимостью дополнительно увеличивать мощность электронагревателя. Элегазовый выключатель должен сохранять работоспособность при аварийном отключении электронагревателя в течение достаточного времени, чтобы персонал подстанции имел возможность принять оперативные меры по предотвращению развития этой аварии в системную. Согласно стандарту МЭК это время должно быть не менее двух часов. Время сохранения работоспособности элегазового выключателя определяется временем охлаждения его наиболее холодного места до температуры, соответствующей согласно кривой насыщения, наименьшей допустимой плотности элегаза. Время охлаждения до этой температуры пропорционально начальному превышению температуры и эффективной теплоемкости аппарата, но обратно пропорционально мощности нагрева, поскольку она характеризует интенсивность теплоотвода. Поэтому необходимость повышения мощности нагрева ведет к уменьшению времени охлаждения до температуры, при которой аппарат еще сохраняет требуемые параметры по току отключения и обеспечению уровня изоляции. Это означает сокращение времени для проведения оперативных и технических мероприятий для предотвращения развития аварийной ситуации в электрических сетях, что ведет к снижению надежности их работы.
Целью изобретения является повышение надежности работы энергосистемы в условиях низких температур.
Технический результат - уменьшение затрат энергии на нагрев бакового электрического аппарата с газовой изоляцией.
Технический результат достигается тем, что в баковом электрическом аппарате с газовой изоляцией, содержащем, по меньшей мере, один металлический бак с расположенной в нем токопроводящей системой, по меньшей мере, один патрубок с установленным на нем газонаполненным вводом, состоящим из полого изолятора и токопровода с крышкой ввода, и электронагреватель бака, новым является то, что внутри газонаполненного ввода расположен, по меньшей мере, один дополнительный элемент, выполненный в виде трубы, и/или перегородки, и/или расположенной в верхней части газонаполненного ввода заглушки.
Применение дополнительного элемента конструкции в виде открытой с двух сторон трубы или перегородки позволяет сделать более упорядоченным процесс конвективного теплообмена внутри газонаполненного ввода за счет пространственного разделения потоков восходящего нагретого газа, поступающего из подогреваемого бака электрического аппарата, и нисходящего, охлажденного газа, отдавшего свое тепло внутренним поверхностям газонаполненных вводов (полым изоляторам, крышкам вводов, токопроводам). В результате интенсифицируется процесс передачи тепла от газа к стенкам газонаполненного ввода, вследствие чего подогрев этих стенок, необходимый для предотвращения конденсации газа на них, будет происходить более интенсивно, то есть требуемый поток тепла будет обеспечен при более низкой температуре газа в баке и, следовательно, при более низкой мощности нагревателя.
Применение дополнительного элемента конструкции в виде заглушки, закрывающей металлические детали конструкции в верхней части ввода (крышку, фланец изолятора), и/или трубы, плотно охватывающей, по меньшей мере, верхнюю часть токопровода газонаполненного ввода, позволяет уменьшить отвод тепла через эти металлические детали, если указанные заглушка и труба выполнены из материала с пониженным коэффициентом теплопроводности. Уменьшение отвода тепла позволяет поддерживать температуру внутренних поверхностей газонаполненного ввода на уровне, препятствующем конденсации газа, при меньшей, по сравнению с прототипом, температуре нагрева газа в баке и меньшей мощности нагревателя. Вследствие этого увеличивается время остывания до температуры конденсации газа при аварийном отключении нагревателей, увеличивается время сохранения требуемой плотности газа, время сохранения работоспособности аппарата, что ведет к увеличению времени принятия оперативных решений для предотвращения развития аварийной ситуации и превращения ее в системную аварию и, следовательно, повышается надежность работы энергосистемы в условиях низких температур.
На фиг.1 изображена конструктивная схема бакового элегазового выключателя, являющегося прототипом изобретения.
На фиг.2 изображена конструктивная схема электрического аппарата с двумя газонаполненными вводами, в которые вставлены дополнительные элементы в виде труб.
На фиг.3 представлены два варианта комплексного использования дополнительных элементов в виде трубы, заглушки и перегородки.
Прототип изобретения - баковый элегазовый выключатель (фиг.1) содержит металлический бак 1 с расположенной в нем токопроводящей системой 2. В приведенном примере изображен один полюс выключателя. Металлический бак содержит два патрубка 3 с установленными на них газонаполненными вводами 4. Газонаполненные вводы состоят из полых изоляторов 5, крышек вводов 6, токопроводов 7 и экранов 8 стыка вводов. Электронагреватель 9 охватывает бак в его средней части.
Токопроводы 7 сочленяются с токопроводящей системой 2 электрического выключателя при помощи контактных соединений 10, а экраны 8 стыка вводов экранируют место стыка патрубка 3 с изолятором 5.
Токопроводящая система удерживается в баке при помощи опорных изоляторов 11. Изоляторы 5 вводов устанавливаются на патрубки бака 3 и крепятся к ним, а крышки вводов 6 крепятся к изоляторам 5 при помощи фланцев 12. Сам бак стоит на опорах 13.
Нагрев аппарата производится включением нагревателя 9. При этом разогреваются стенки бака 1 под нагревателем. Разогрев элегаза во всем аппарате происходит за счет теплопроводности стенок бака и конвективного движения газа.
Разогрев стенок газонаполненных вводов 4 обеспечивается практически полностью за счет конвективного подъема нагретого элегаза из бака. На фиг.1 это движение указано стрелками. Однако одновременно с подъемом элегаза происходит его опускание вниз по этим газонаполненным вводам. Охлаждается элегаз в результате отдачи своего тепла изоляторам 5, крышкам 6 и токопроводам 7, которые, в свою очередь, отдают это тепло наружному холодному воздуху. На фиг.1 этот нисходящий поток холодного газа также изображен стрелками. Эти два течения проникают один в другой и частично перемешиваются. Все это снижает интенсивность передачи тепла вверх и уменьшает нагрев стенок газонаполненных вводов. Поэтому для достижения требуемого нагрева стенок газонаполненных вводов, предотвращения конденсации газа и снижения его плотности необходимо нагревать бак до более высоких температур. Это не только требует увеличения затрат энергии на нагрев, но и означает ускорение охлаждения аппарата при аварийном отключении подогрева и сокращение времени сохранения работоспособности аппарата.
В отличие от прототипа, заявляемый баковый электрический аппарат внутри газонаполненных вводов имеет дополнительные элементы (фиг.2 и 3). На фиг.2 представлены два варианта установки дополнительных элементов в виде открытой с двух сторон трубы 14 в газонаполненных вводах, закрепленной на крышке вводов с помощью лапок 15 с проходами для газа. Остальные элементы крепежа трубы на фигуре не показаны.
Труба 14 может быть выполнена по-разному - из электроизоляционного или электропроводящего материала или быть составной; быть как постоянного, так и переменного по длине диаметра; по длине может быть короткой и не достигать экрана 8 стыка вводов, но может и входить внутрь него, входить внутрь патрубка 3 и даже - внутрь объема бака 1. (Часть перечисленных вариантов выполнения трубы на фиг. не показана).
На левом газонаполненном вводе труба размещена соосно с токопроводом 7. В результате она разделяет внутреннее пространство изолятора 5 на два кольцевых канала - внутренний (внутри трубы) и наружный (за ее пределами). Охлаждаемый на поверхности изолятора 5 элегаз опускается по наружному каналу вниз. При этом в верхнюю часть полости газонаполненного ввода 4 по внутреннему каналу затягивается нагретый газ. Образуется конвективный циркуляционный поток, вызванный различием плотностей газа в этих каналах. В результате скорость течения элегаза вниз вдоль поверхности изолятора 5 и, соответственно, вверх в центре трубы увеличивается в сравнении с прототипом. При этом смешение холодного и нагретого газа по высоте ввода не происходит, что увеличивает температуру газа во внутреннем канале. Усиливается циркуляция и теплообмен в газонаполненном вводе, и температура его стенок повышается. Расчеты динамики движения газа в газонаполненном вводе показали, что интенсивность теплоподвода, например, к крышке ввода в этом случае может увеличиться вдвое.
Вариант правого газонаполненного ввода (фиг.2) отличается эксцентричным размещением трубы 14 по отношению к оси токопровода 7, при котором происходит смещение ее нижнего отверстия в сторону центральной части бака. Такое размещение уменьшает нисходящий поток охлажденного газа с той стороны патрубка, которая обращена к нагревателю. Поэтому элегаз, идущий от нагревателя внутрь трубы, в меньшей степени смешивается с нисходящим по вводу холодным элегазом. Охлажденный газ преимущественно стекает вниз по более широкому каналу газонаполненного ввода, удаленному от центральной части бака, опускаясь на дно бака, растекаясь в сторону нагревателя и там нагреваясь. В результате в трубу поступает более нагретый газ, что в свою очередь увеличивает нагрев стенок газонаполненного ввода.
Тот же эффект можно получить, если трубу 14 размещать наклонно по отношению к токопроводу 7 таким образом, чтобы ее нижний конец был приближен к средней части бака.
Варианты комбинированного применения нескольких дополнительных элементов представлены на фиг.3.
Внутри левого газонаполненного ввода одновременно расположены труба 14, перегородка 16 и заглушка 17. Труба плотно охватывает, по меньшей мере, часть токопровода 7. Ее изготавливают из материала с низкой, в сравнении с металлом, теплопроводностью, например из резины. Перегородка 16 перекрывает зазор между трубой 14 и изолятором 5, разделяя этот зазор на два канала - ближний к центральной части бака и удаленный. Однако перегородка не доходит до заглушки 17, что обеспечивает смыкание этих двух каналов. Перегородка закреплена на внутренней стенке изолятора 5 или на трубе 14. Она может быть выполнена также в виде единого элемента с трубой 14 или отдельными ее частями. Заглушку 17 закрепляют на внутренней стороне крышки 6 газонаполненного ввода и также выполняют из материала с низкой теплопроводностью, например из резины.
В описанном варианте левого газонаполненного ввода (фиг.3) труба 14 выполняет функции не разделителя потоков газа, а теплоизоляции, уменьшая поток тепла в боковую поверхность токопровода 7. Так как теплопроводность резины меньше теплопроводности металла более чем в 1000 раз, то тепло в токопровод будет уходить преимущественно через части, не прикрытые трубой. Так как в результате путь передачи тепла через токопровод увеличивается, то соответственно уменьшается поток тепла через него и увеличивается минимальная температура его оголенных частей. На поддержание этой температуры выше температуры конденсации требуется меньший нагрев элегаза. Ту же функцию выполняет заглушка 17, уменьшая поток тепла через крышку 6. При плотном вхождении заглушки 17 во фланец 12 изолятора 5 поток тепла уменьшается также и через металлический фланец. Применение заглушки, равно как и трубы, в данном случае не повышает, а понижает температуру металлических частей под ними. На этих поверхностях будет происходить конденсация газа. Поэтому степень плотности посадки должна быть такой, чтобы конденсата в зазорах было мало по отношению к общей массе элегаза и он не вытекал из них. Перегородка 16 выполняет функцию разделения потоков газа - идущий от нагревателя под верхним сводом бака нагретый элегаз поднимается вверх газонаполненного ввода по его правой стороне, а охлажденный газ опускается по его левой стороне. В верхней части газонаполненного ввода поток справа переходит налево, создавая циркуляционное движение элегаза.
В представленном варианте выполнения правого газонаполненного ввода (фиг.3), помимо дополнительных элементов в виде труб, и/или перегородок, и/или заглушек, для повышения эффективности нагрева стенок газонаполненного ввода показано также использование экрана 8 стыка вводов с патрубком, и использование дополнительного нагревателя 9а, установленного на патрубке ввода. Назначение дополнительного нагревателя 9а - скоординировать степени нагрева стенок бака и стенок газонаполненных вводов.
В этом вводе использованы одновременно две трубы. Первая труба 14а служит для разделения газовых потоков, вторая - 14б плотно надета на токопровод для уменьшения теплоотдачи через него. Экран стыка вводов (далее - экран), имеющий отбортовку для своего закрепления между патрубком и изолятором, имеет также проходное отверстие 8а, расположенное в дальнем от центра выключателя крае. Труба 14а смыкается с отбортовкой экрана 8б, в результате чего образуется сплошной канал для восходящего потока нагретого элегаза между токопрводом и трубой 14а и между токопроводом и экраном 8. В канал для нисходящего потока охлажденного элегаза входит теперь зазор между трубой 14а и изолятором 5, и между экраном 8 и изолятором.
Этим устраняется застойная зона за экраном, где при отсутствии отверстия 8а может образовываться и скапливаться конденсат.
Восходящий и нисходящий потоки элегаза перестают смешиваться, что повышает температуру и скорость поднимающегося элегаза, а это интенсифицирует теплообмен. Этому также способствует увеличение высоты каналов циркуляции элегаза в газонаполненном вводе.
Дополнительное увеличение высоты этих каналов достигается введением перегородки 16а, размещаемой под отверстием 8а в экране. Перегородка 16а имеет отбортовки на боковых сторонах, примыкающие к боковой стенке патрубка.
В результате образуется канал для восходящего потока нагретого газа, занимающий почти всю высоту ввода вместе с патрубком. Он граничен внизу перегородкой 16а и неприкрытой ею частью патрубка, затем экраном 8 и трубой 14а. Увеличение высот каналов восходящего и нисходящего потоков увеличивает подъемную силу, воздействующую на поток элегаза и скорость его циркуляции, что при неизменной мощности нагрева и погоде приведет к более интенсивному нагреву стенок газонаполненного ввода.
Расчеты тепловых процессов в подогреваемом баковом элегазовом выключателе на 110 кВ показали, что применение дополнительных элементов в виде открытых с двух сторон труб в газонаполненных вводах выключателей позволяет увеличить передачу тепла внутрь ввода не менее чем в два раза. Применение заглушек из резины толщиной 20 мм, закрепленных на внутренней стороне крышек ввода, позволяет уменьшить необходимое превышение температуры элегаза в баке над температурой окружающего воздуха не менее чем в три раза для предотвращения конденсации элегаза на этих заглушках. Применение дополнительного элемента в виде резиновой трубы, плотно одетой на токопровод ввода при толщине стенок трубы 20 мм и длине 0,5 м, позволяет уменьшить указанный перегрев для предотвращения конденсации элегаза на ней не менее чем в два раза.
В результате затраты энергии на нагрев бакового элегазового выключателя могут быть уменьшены в два раза.