ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ ТОКООГРАНИЧИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к области электротехники, в частности к токоограничивающим устройствам на основе высокотемпературной сверхпроводимости (далее, ВТСП ТОУ), работающим в среде жидкого азота в сетях напряжением 35-750 кВ. В частности, к уменьшению напряженности электрического поля между токоограничивающим элементом и заземленным криостатом и, как следствие, повышению электрической прочности устройства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.
В патенте RU194013 (ЗАО «СуперОкс») раскрывается высоковольтное токоограничивающее устройство на основе высокотемпературной сверхпроводимости, содержащее криостат, размещенную в криостате сборку соосно расположенных сверхпроводящих токоограничивающих модулей на центральной опоре, где сборка установлена на опорных изоляторах, при этом изоляторы в каждой паре одним концом закреплены на центральной опоре, а другим - прикреплены к внутренней поверхности криостата, а также подводящий и отводящий изолированные токовводы, соединяющие сборку модулей с электрической сетью. Изоляторы прикреплены к внутренней поверхности криостата при помощи планки, присоединяемой к поверхности криостата сваркой или пайкой. При этом, изолятор выполнен с пазом, а планка выполнена с ответным выступом.
Как следует из описания известной полезной модели, при выбранной геометрии опорного изолятора напряженность электрического поля становится меньше 2,5 кВ/мм уже на расстоянии 150 мм от поверхности криостата, и уменьшается по мере приближения к поверхности криостата.
При этом существует опасность роста напряжённости на углах платформы с выступом, которая приварена к внутренней стенке криостата. На данных углах возникают повышенные значения напряженности электрического поля, что в свою очередь может привести к электрическому пробою, следовательно, и к потере электрической прочности самого ВТСП ТОУ с напряжением до 750 кВ, работающего в среде жидкого азота.
Все это представляет определенные технические проблемы при эксплуатации ВТСП ТОУ.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей полезной модели является устранение данных технических проблем.
Поставленная задача решается высоковольтным токоограничивающим устройством на основе высокотемпературной сверхпроводимости, содержащим криостат, токоограничивающий элемент, размещённый в криостате на центральной опоре и состоящий из соосно расположенных токоограничивающих модулей с подводящим и отводящим изолированными токовводами, опорные изоляторы, где каждый изолятор выполнен в виде сплошного стержня с пазом, размещенным в одном из концов упомянутого изолятора, и платформы, каждая из которых снабжена выступом, при этом, каждый опорный изолятор одним концом закреплен на центральной опоре, а другим – прикреплен к платформе с образованием соединения «паз-выступ» и снабжен защитным экраном, размещенным на платформе соосно изолятору.
В частных воплощениях полезной модели поставленная задача решается высоковольтным токоограничивающим устройством, в котором защитный экран имеет форму поверхности вращения.
В этом случае защитный экран заявленного высоковольтного токоограничивающего устройства может представлять собой один или несколько тороидов, размещенных на платформе соосно опорному изолятору.
Защитный экран в заявленном высоковольтном токоограничивающем устройстве может быть выполнен из нержавеющей стали.
В высоковольтном токоограничивающем устройстве платформа может быть закреплена на внутренней стенке криостата посредством сварки.
Паз опорного изолятора и выступ платформы в заявленном высоковольтном токоограничивающем устройстве могут иметь конусообразную форму со скругленной вершиной.
Опорный изолятор может быть выполнен из стеклотекстолита и может иметь частично гофрированную внешнюю поверхность.
Платформа может иметь форму диска.
В высоковольтном токоограничивающем устройстве защитный экран может быть выполнен съемным.
В пазы каждого опорного изолятора, заявленного высоковольтного токоограничивающего устройства, может быть закреплена цилиндрическая втулка с донышком, экранирующая упомянутый выступ платформы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение ВТСП ТОУ.
На фиг. 2 приведено схематическое изображение платформы с опорным изолятором в сборе.
На фиг. 3 приведено схематическое изображение платформы с выступом и защитным экраном.
На фиг 4 приведены данные, иллюстрирующие расчет напряженности электрического поля без использования защитного экрана.
На фиг 5 приведены данные, иллюстрирующие расчет напряженности электрического поля с использованием защитного экрана.
Позиции означают следующее.
1. Криостат
2. Токоограничивающий элемент
3. Токоограничивающий модуль
4. Центральная опора
5. Опорный изолятор
6. Подводящий токоввод
7. Отводящий токоввод
8. Паз опорного изолятора
9. Соединительная втулка
10. Выступ
11. Плоская платформа
12. Защитный экран
13. Крепежный элемент
Сущность предложенной полезной модели состоит в следующем.
ВТСП ТОУ состоит из нескольких основных элементов (см. фиг. 1): криостата (1), состоящего из двух цилиндрических бочек, внутренней, заполненной хладагентом, выполняющим также и электроизоляционные функции, и внешней, разделенных вакуумной полостью; токоограничивающий элемент (2), представляющий собой сборку токоограничивающих модулей (3), соосно расположенных на центральной опоре (4) и размещенных внутри криостата, по меньшей мере, на двух парах опорных изоляторов (5).
Каждый токоограничивающий модуль (3) представляет собой бифилярную катушку из ВТСП-провода. ВТСП-токоограничивающий элемент (2) находится под потенциалом подаваемого при помощи токовводов (6, 7) высокого напряжения, а криостат – заземлен.
Опорные изоляторы (5) выполнены в виде стеклотекстолитовых стержней с пазом (8) на нижней части опорного изолятора (5). В качестве стеклотекстолита может быть использован стеклотекстолит, например, на основе эпоксидной смолы и стеклоткани. Опорный стержень из такого текстолита легко изготовить с небольшими экономическими вложениями, при этом он обеспечивает требуемую механическую прочность, обладает высокой степенью огнестойкости, и пригоден для эксплуатации при экстремально низких температурах.
Целесообразно, чтобы часть поверхности опорного изолятора была выполнена гофрированной.
Опорные изоляторы одним концом фиксируются на опоре. Фиксирование может осуществляться следующим образом: концы опорных изоляторов (5) в виде цилиндрической формы вставляются в пазы раздвоенной соединительной втулки (9), установленной на центральной опоре (4) токограничивающего элемента (2). Противоположные концы изоляторов (5) с пазами (8) (см. фиг. 2) опираются на выступы (10) на плоской платформе (11). Целесообразно, но не обязательно, выполнение пазов (8) и выступов (10) в виде ответно расположенных конусов со сглаженной вершиной, что дополнительно обеспечивает простую установку и надежную фиксацию при более равномерной картине поля и способствует снижению напряженности электрического поля в данной зоне.
На плоской платформе (11) (фиг. 3) жестко закреплен защитный экран (12). Желательно, чтобы экран имел форму тела вращения, например, тороида.
Экран в форме тороида или нескольких эквивалентных ему тороидов, размещенных, например, один над другим, обеспечивает требуемый уровень электрической прочности устройства.
Желательно, также, чтобы защитный экран был выполнен из нержавеющей стали, что обеспечивает его коррозионную стойкость и прочность в криогенной среде, а также долгий срок службы.
Экран (12) устанавливается соосно как опорному изолятору (5), так и выступу (10) на платформе (11).
Экран (12) может быть выполнен съемным, что позволяет его при необходимости легко заменить. Для установки экрана на платформу служат крепежные элементы (13) (см. фиг. 3).
Платформа (11), имеет плоскую форму и может быть выполнена в наиболее эргономичной форме в виде диска, что актуально для плоской поверхности дна криостата и позволяет избавиться от высоких значений напряженности электрического поля, возникающих на углах платформ, выполненных, например в виде параллелепипеда.
Платформа (11) закрепляется на внутренней поверхности криостата (1) любым возможным способом, в заявленной полезной модели она прикреплена путём сварки.
Как указывалось, подвод и отвод тока осуществляется подводящим (6) и отводящим (7) токовводами, соединёнными одним концом с токоограничивающим элементом (2) из ВТСП токоограничивающих модулей (3), а вторым - с электрической сетью.
В пазы каждого опорного изолятора, заявленного высоковольтного токоограничивающего устройства, может быть закреплена цилиндрическая втулка с донышком (не показана), экранирующая выступ платформы. Наличие втулки с донышком позволяет снизить рост напряжённости в области соединения «паз-выступ», что, также, положительно сказывается на электрической прочности ВТСП ТОУ.
Пример реализации полезной модели.
Защитные экраны (12) изготавливались из нержавеющей стали AISI 304 и имели форму тороидов. Экраны (12) устанавливали на платформах (11) посредством приварки к крепежным элементам (13). На платформах также монтировали выступы (10), форма которых ответна форме пазов (8) опорных изоляторов (5), позволяющие зафиксировать токоограничивающий элемент (2) на платформе (11). И выступы, и пазы имели конусообразную форму со скругленной вершиной.
Платформы (11) приваривали к внутренней поверхности криостата (1): для обеспечения надежной фиксации нижней части опорного изолятора (5) платформа (11) имела ровное, плоское основание и приваривалась к внутренней поверхности нижней части криостата (1), который имеет цилиндрическую форму, по двум прилегающим краям.
Опорный изолятор (5) нижним концом с пазом (8) закрепляли на                  выступе (10).
На центральной опоре (4) монтировали токоограничивающий элемент (2) состоящий из последовательно нанизанных на опору токоограничивающих модулей (3), выполненных в виде бифилярных катушек из ВТСП-провода.
Верхние концы опорных изоляторов (5) цилиндрической формы закрепляли в пазах раздвоенной соединительной втулки (9) из нержавеющей стали, установленной на центральной опоре (4).
На токоограничивающее устройство при помощи токовводов (6, 7) подавали высокое напряжение, а криостат – заземляли.
Для оценки эффективности использования защитных экранов было проведено компьютерное моделирование методом конечных элементов трёхмерных моделей с использованием ПО Comsol Multiphysics 5.3а.
На фиг. 4 и фиг. 5 приведены данные по распределению напряженности электрического поля в сечении в месте крепления опорного изолятора к платформе с конусообразным выступом для случаев без защитного экрана у платформы (фиг. 4) и с защитным экраном (фиг. 5) соответственно, полученные в результате моделирования.
Как следует из приведённых данных, защитный экран снижает напряжённость электрического поля, создаваемого платформой, вблизи основания опорного изолятора практически в три раза – с 2,0 кВ/мм до 0,7 кВ/мм, а максимальная напряженность электрического поля в этой зоне снижается на 10% – с 3,4 кВ/мм до 3,1 кВ/мм для приложенного напряжения к ВТСП токоограничивающему элементу 460 кВ, что является повышенным напряжением для класса высоковольтных устройств 220 кВ.