УЗЕЛ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ВВОДА
HIGH-VOLTAGE BUSHING ASSEMBLY

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Предмет изобретения, раскрытого в настоящем описании, относится к узлам высоковольтного ввода.
Когда к устройству или конструкции подают питание, можно использовать узел ввода, способствующий изоляции линии электроснабжения от здания или конструкции. Например, вводы используют для подачи высокого напряжения к турбинам. Вводы включают проводник, изоляционную втулку вокруг проводника и устройство для крепления изоляционной втулки к зданию или конструкции. Проводник проходит через изоляционную втулку в здание или в конструкцию.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному аспекту изобретения узел ввода содержит изоляционную втулку, окружающую проводник; фланец, расположенный на внешней поверхности изоляционной втулки; и первую полосу полупроводниковой глазури, расположенную на внешней поверхности изоляционной втулки, удаленную от первого конца изоляционной втулки.
Согласно другому аспекту изобретения узел высоковольтного ввода содержит ввод, имеющий изоляционную втулку, окружающую проводник, и фланец на внешней поверхности изоляционной втулки для монтажа ввода на конструкции, внешнюю поверхность изоляционной втулки, имеющую по меньшей мере одну полосу полупроводниковой глазури, удаленную от конца изоляционной втулки, и трансформатор тока, расположенный отдельно от ввода, для контроля тока на проводнике.
Согласно еще одному аспекту изобретения узел высоковольтного ввода содержит изоляционную втулку, окружающую проводник, по меньшей мере одну полосу из полупроводниковой глазури на поверхности изоляционной втулки и неполупроводниковую глазурь на частях поверхности изоляционной втулки, которые не включают по меньшей мере одну полосу из полупроводниковой глазури.
Эти и другие преимущества и особенности станут понятными из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предмет настоящего изобретения изложен в формуле изобретения, являющейся неотъемлемой частью настоящего описания. Нижеуказанные и другие особенности и преимущества изобретения станут очевидными из нижеследующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает ввод согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг.2 изображает сечение ввода согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг.3 изображает сечение части ввода согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг.4 и 5 изображают электрические поля, генерируемые током, текущим в проводнике ввода, с выравниванием распределения потенциалов или без него.
Фиг.6 представляет собой график, изображающий выравнивание распределения напряжения на поверхности ввода.
Подробное описание объясняет варианты осуществления изобретения и его преимущества и особенности на примерах со ссылкой на прилагаемые чертежи.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1 изображает ввод 1 по варианту осуществления изобретения. Ввод 1 включает изоляционную втулку 20, окружающую проводник 10. По одному из вариантов изоляционная втулка 20 выполнена из фарфора. Например, изоляционная втулка 20 может быть выполнена из высокопрочного глиноземного фарфора С-120/С-130. Изоляционную втулку 20 окружает фланец 30, который выполнен из немагнитных материалов, таких как, например, нержавеющая сталь. По одному из вариантов фланец 30 устанавливают на зафиксированной поверхности, чтобы один конец ввода 1 был расположен на одной стороне поверхности, а другой конец ввода 1 располагался на другой стороне зафиксированной поверхности. Зафиксированной поверхностью может быть, например, корпус турбины, в частности рамы узла статора генератора.
На первом конце 2 ввода 1, между выступающей частью проводника 10 и фланцем 30 находятся первая группа кольцевых ребер или гребней 21 и первая полупроводниковая глазурованная полоса 22. Неполупроводниковая глазурованная часть 25 расположена между открытой частью проводника 10 и ребрами 21. На втором конце 3 ввода 1 на другой стороне фланца 30 находятся вторая группа кольцевых ребер или гребней 24 и вторая полупроводниковая глазурованная полоса 23. Неполупроводниковая глазурованная часть 26 расположена между второй группой гребней 24 и открытой частью проводника 10. В описании и формуле изобретения на первую и вторую группы кольцевых ребер или гребней 21 и 24 ссылаются как на ребра, гребни, ребристые/гребенчатые части, группы ребер/гребней, кольцевые ребра/гребни и тому подобное.
Фланец 30 включает цокольную часть 31, имеющую по существу цилиндрическую или коническую форму, и выступающую часть 32, выступающую из цокольной части 31. По одному из вариантов выступающая часть имеет по существу дискообразную форму. В некоторых вариантах фланец 30 имеет дополнительные особенности, такие как опорные скобы и отверстия для монтажа и крепления фланца 30 на поверхности. По другому варианту цокольная часть 31 фланца 30 параллельна поверхности изоляционной втулки 20. Например, каждая из внешних поверхностей изоляционной втулки 20 и цокольной части 31 фланца 30 может быть цилиндрической или конической формы, а цокольная часть 31 фланца 30 может проходить вдоль части внешней поверхности изоляционной втулки 20 и окружать изоляционную втулку 20.
Полупроводниковые глазурованные полосы 22 и 23 являются частями ввода 1, где полупроводящие материалы включены в глазурь, которая образует внешний слой изоляционной втулки 20. В некоторых вариантах осуществления части ввода 1, которые не включают полупроводниковые глазурованные полосы 22 и 23, такие как гребенчатые части 21 и 24 и части 25 и 26, глазурованы неполупроводниковой глазурью. Нанесение полупроводниковой глазури на изоляционную втулку 20 связывает полупроводниковый материал с изоляционной втулкой 20 прочнее, чем если нанести ее в виде слоя другими способами, такими как химическое осаждение или нанесение полупроводникового материала на предварительно глазурованную изоляционную втулку 20 или неглазурованную изоляционную втулку 20.
Полупроводниковые глазурованные полосы 22 и 23 расположены по обеим сторонам фланца 30. По одному из вариантов осуществления полупроводниковые глазурованные полосы 22 и 23 расположены непосредственно возле фланца 30. Другими словами, по одному из вариантов между фланцем 30 и полупроводниковыми полосами 22 и 23 нет неполупроводниковой глазурованной части. При размещении полупроводниковых глазурованных полос 22 и 23 рядом с фланцем 30 сопротивление образованию короны и пробоя на вводе 1 существенно увеличивается.
В варианте осуществления, проиллюстрированном на Фиг.1, полупроводниковые глазурованные полосы 22 и 23 расположены между ребристыми частями 21 и 24 и фланцем 30 соответственно. Однако в альтернативных воплощениях части ребер 21 и 24 также глазурованы полупроводниковой глазурью. Еще по одному из вариантов части внешней поверхности изоляционной втулки под фланцем глазурованы полупроводниковой глазурью.
12
14
2
11
13
2
8
9
7
8
2
Полосы 22 и 23 из полупроводниковой глазури - это полосы, которые ограничивают по окружности изоляционную втулку 20. Глазурованные участки изоляционной втулки 20, которые окружают полосы 22 и 23, имеют нормальную глазурь, которая не включает полупроводниковых материалов. Нормальная глазурь имеет относительно высокое поверхностное сопротивление, например, в интервале 10-10 Ом/квадрат (100 кв.футов=9,3 м) (10-10 Ом/м). По одному из вариантов поверхностное сопротивление полупроводниковых глазурованных полос 22 и 23 находится в интервале 10-10 Ом/квадрат (10-10 Ом/м). По одному из вариантов полупроводниковые глазурованные полосы 22 и 23 однородны или содержат только одну полосу с одним удельным сопротивлением, а не множество полос с различными удельными сопротивлениями.
Согласно одному из вариантов полупроводниковая глазурь повышает температуру поверхности фарфора на несколько градусов Цельсия вследствие природы выравнивания напряжения, основанного на сопротивлении, что предотвращает конденсацию влаги и осаждение естественных загрязнений, что дополнительно повышает сопротивление коронному разряду ввода 1.
2
3
В некоторых вариантах осуществления полупроводниковую глазурь выполняют из материалов, выравнивающих напряжение, имеющих поверхностное сопротивление, которое падает по мере роста электрических полей или температур. Пример материалов, выравнивающих напряжение, включает оксид железа - титана. Другие примеры включают оксид свинца, карбид кремния, нитрид кремния, нитрид алюминия, нитрид бора, оксид бора, оксид молибдена, дисульфид молибдена, ВаO и карбид алюминия. По одному из вариантов осуществления линейное тепловое расширение полупроводниковой глазури меньше, чем у цокольного материала, такого как фарфор, изоляционной втулки 20.
По одному из вариантов осуществления изобретения на оба конца фланца 30 возле полупроводниковых глазурованных полос 22 и 23 наносят токопроводящий клей 40. Токопроводящий клей 40 электрически соединяет фланец 30 с полупроводниковыми глазурованными полосами 22 и 23.
Фиг.2 изображает сечение половины ввода 1. Изоляционная втулка 20 ввода 1 включает подложку или основную часть 27, выполненную из изолирующего материала, такого как фарфор. Для монтажа проводника 10 в изоляционной втулке 20 внутри подложки 27 расположены кольца 50. Согласно разным вариантам осуществления кольца 50 могут представлять собой либо часть подложки 27, либо представлять собой независимые конструкции, которые вставляют в полость в подложке 27. Согласно еще одному варианту кольца выполняют из проводящего материала, такого как металл, точнее в виде пружины из нержавеющей стали. Кроме того, на концах изоляционной втулки предусмотрена шайба 51.
Фланец 30 устанавливают на подложке 27 с помощью высокотермоизолирующего (например, имеющего высокий термический коэффициент) стеклоэпоксидного связующего материала 52. По одному варианту подложка 27 включает выступ 28, который примыкает к выступу фланца 30, для того чтобы удерживать фланец 30 в некотором положении относительно подложки 27. Термоизолирующая эпоксидная смола 52 заполняет пространство между подложкой 27 и цокольной частью 31 фланца 30, соответствующее высоте выступа 28. Фланец 30 дополнительно включает по меньшей мере шесть отверстий 33 для монтажа ввода 1 на поверхности.
Полупроводниковые глазурованные участки 22 и 23 имеют длину d2 и d1 соответственно. По одному из вариантов общая длина d1+d2 меньше или равна 12 дюймам (30,5 см). Например, по одному из вариантов первый полупроводниковый глазурованный участок 22 имеет длину 5,5 дюймов (13,8 см), а второй полупроводниковый глазурованный участок имеет длину 3,5 дюйма (8,9 см).
8
9
7
8
2
5
7
4
6
2
12
14
11
13
2
Согласно одному варианту осуществления внутренняя поверхность или стенка 29 подложки 27 глазурована полупроводниковой глазурью. Полупроводниковая глазурь внутренней поверхности 29 имеет меньшее поверхностное сопротивление, чем поверхностное сопротивление полупроводниковых глазурованных полос 22 и 23. Например, если поверхностное сопротивление полупроводниковых глазурованных полос 22 и 23 находится в интервале 10-10 Ом/квадрат (10-10 Ом/м), то поверхностное сопротивление полупроводниковой глазури на внутренней поверхности 29 может быть в интервале 10-10 Ом/квадрат (10-10 Ом/м). Непроводящая глазурь или каждый глазурованный участок изоляционной втулки 20, который не содержит полупроводниковой глазури, включая участки 25 и 26 и ребристые участки 21 и 24, могут иметь поверхностное сопротивление в интервале 10-10 Ом/квадрат (10-10 Ом/м).
Фиг.3 изображает увеличенный участок части ввода 1. Подложка 27 изоляционной втулки 20 имеет глазурованные участки 71, 72, 73 и 75. Глазурованный участок 71, который соответствует второй полупроводниковой глазурованной полосе 23, включает полупроводниковую глазурованную полосу. Глазурованный участок 72, который соответствует второй группе ребер 24, включает ребра 74. Глазурованный участок 75, который соответствует неполупроводниковому глазурованному участку 26, не включает ребра. Глазурованные участки 72 и 75 включают непроводящую и неполупроводниковую глазурь. Глазурованный участок 73 включает полупроводниковую глазурь, имеющую меньшее удельное сопротивление, чем удельное сопротивление глазурованного участка 71. По одному из вариантов толщина полупроводниковых глазурованных полос 72 и 73 составляет от 1/20 до 1/40 толщины подложки 27.
-3
-4
2
Электропроводный клей 40, поверхностная проводимость которого может быть ниже 1-10х10 Ом/квадрат (1,1-11х10 Ом/м), наносят на концевую поверхность 35 фланца 30. Электропроводный клей 40 электрически соединяет фланец с полупроводниковой глазурью глазурованной части 71. Клей может представлять собой силиконовую матрицу или матрицу на основе эпоксидной смолы, наполненную углеродной сажей или, для большей прочности, частицами серебра для достижения требуемых характеристик.
Таблица 1 иллюстрирует сравнение распределения электрического поля на внешней поверхности ввода 1, имеющего вторую полупроводниковую глазурованную полосу 23, и ввода, не имеющего полупроводниковой глазурованной полосы.
Значения в Таблице 1 соответствуют вводу, закрепленному на конструкции, заполненной водородом (Н2), такой как турбогенератор, при этом часть ввода на одной стороне фланца находится на открытом воздухе, а часть ввода на другой стороне фланца находится в среде сжатого водорода. Значения Таблицы 1 относятся к стороне, находящейся в водороде.
Таблица 1
Электрическое поле на внешней фарфоровой поверхности (сторона Н<sub>2</sub>), кВ/дюйм
Испытательное напряжение
14,6 кВ
68 кВ
Неполупроводниковая глазурь (10<sup>12</sup>-10<sup>14</sup> Ом/квадрат, 10<sup>11</sup>-10<sup>13</sup> Ом/м<sup>2</sup>)
51
239
Пример 1: 1 полупроводниковая глазурованная полоса (10<sup>7</sup> Ом/квадрат, 10<sup>6</sup> Ом/м<sup>2</sup>)
33,7
157
Пример 2: 1 полупроводниковая глазурованная полоса (10<sup>9</sup> Ом/квадрат, 10<sup>8</sup> Ом/м<sup>2</sup>)
19,7
91
В примерах, проиллюстрированных в Таблице 1, напряжение, подаваемое на проводник 10 и равное 14,6 кВ, соответствует испытательному напряжению, которое составляет 1,05х от максимального номинального напряжения, равного 24 кВ/1,732, согласно требованиям Международной Электротехнической Комиссии (IEC) 60137, а напряжение 68 кВ соответствует испытательному напряжению с высоким потенциалом (Hipot), которое имитирует пиковый потенциал, который может возникнуть во время работы, равный почти трехкратному номинальному напряжению на вводе. В каждом примере, соответствующем вариантам осуществления изобретения, в которых имеется вторая полупроводниковая глазурованная полоса 23, электрическое поле, генерируемое на внешней поверхности ввода 1, существенно меньше, чем при использовании неполупроводниковой глазури, таким образом, существенно уменьшая возможность пробоя и возникновения коронного разряда, пороговая напряженность (срабатывания) которого требует поля с напряженностью 75 кВ/дюйм (29,5 кВ/см).
Таблица 2 иллюстрирует сравнение распределения электрического поля на внешней поверхности ввода 1, имеющего первую полупроводниковую глазурованную полосу 22, и ввода, который не имеет первой полупроводниковой глазурованной полосы 22.
2
Значения в Таблице 2 соответствуют вводу, закрепленному на конструкции, заполненной водородом (Н), такой как турбина, при этом часть ввода на одной стороне фланца находится на открытом воздухе, а часть ввода на другой стороне фланца находится в среде сжатого водорода. Значения Таблицы 2 относятся к стороне, находящейся на воздухе.
Таблица 2
Электрическое поле на внешней фарфоровой поверхности (сторона Н<sub>2</sub>), кВ/дюйм
Испытательное напряжение
14,6 кВ
68 кВ
Неполупроводниковая глазурь (10<sup>12</sup>-10<sup>14</sup> Ом/квадрат, 10<sup>11</sup>-10<sup>13</sup> Ом/м<sup>2</sup>)
85
368
Пример 1: 1 полупроводниковая глазурованная полоса (10<sup>7</sup> Ом/квадрат, 10<sup>6</sup> Ом/м<sup>2</sup>)
33
160
Пример 2: 1 полупроводниковая глазурованная полоса (10<sup>9</sup> Ом/квадрат, 10<sup>8</sup> Ом/м<sup>2</sup>)
19,4
94
В примерах, проиллюстрированных в таблице 2, напряжение, подаваемое на проводник 10 и равное 14,6 кВ, соответствует испытательному напряжению, составляющему 1,05х от максимального номинального напряжения, равного 24 кВ/1,732, согласно требованиям Международной Электротехнической Комиссии (IEC) 60137, а напряжение 68 кВ соответствует испытательному напряжению Hipot, которое имитирует пиковый потенциал, который может возникнуть во время работы, равный почти трехкратному номинальному напряжению для пикового напряжения на вводе, которое может случиться во время работы. В каждом примере, соответствующем вариантам осуществления изобретения, в которых имеется полупроводниковая глазурованная полоса 22, электрическое поле, генерируемое на внешней поверхности ввода 1, существенно меньше, чем при использовании неполупроводниковой глазури, таким образом, существенно уменьшая возможность пробоя и коронного разряда со стороны окружающего атмосферного воздуха. Без выравнивания напряжения, вызываемого полупроводниковыми полосами по вышеописанным вариантам осуществления, неполупроводниковые глазурованные вводы имели бы электрическое поле с напряженностью 85 кВ/дюйм (33,5 кВ/см), что выше напряженности поля при появлении коронного разряда, и поэтому во время работы вызывали бы постоянное возникновение коронного разряда при номинальном напряжении. Известно, что коронный разряд «съедает» связующий стеклоэпоксидный материал и фарфоровые гребни, приводя к сокращению потенциального срока службы и снижению надежности в работе.
Фиг.4 иллюстрирует электрическое поле, представленное пунктирными линиями, которое генерируется во время протекания тока по проводнику 81 ввода 80. Трансформатор 90 тока расположен отдельно от ввода 80. По одному из вариантов осуществления трансформатор тока 90 контролирует протекание тока, который может достигать 25000 А, через проводник 81 ввода 80. В варианте, проиллюстрированном на Фиг.4, на части 85 внешней поверхности ввода 80 между фланцем 82 и гребнями 84 нет полупроводниковой глазури. Соответственно электрическое поле, генерируемое при протекании тока через проводник 81, проходит вверх к трансформатору 90 тока в конце 83 фланца 82. Это может привести к помехам в работе трансформатора 90 тока со стороны электрического поля, снижающим, таким образом, точность трансформатора 90 тока.
Применение такой конструкции ввода может быть в дальнейшем проиллюстрировано на Фиг.5, где изображен другой аспект ввода 1 согласно вышеописанным вариантам осуществления изобретения. Ввод 1 включает полупроводниковую глазурованную полосу 22 между фланцем 30 и ребрами 21. Когда ток течет по проводнику 10, электрическое поле, представленное пунктиром, не проходит из ввода 1 непосредственно рядом с фланцем 30. Вместо этого электрическое поле проходит внутри подложки 27 вдоль полупроводниковой глазурной полосы 22 и выступает из ввода 1 только на конце полупроводниковой глазурованной полосы 22. Поскольку конец полупроводниковой глазурованной полосы расположен над краем трансформатора 90 тока относительно конца 2 ввода 1, электрическое поле не создает помех трансформатору 90 тока.
Фиг.6 представляет собой диаграмму распределения напряжения по внешней поверхности ввода 1 на стороне фланца 30, имеющего полупроводниковую глазурованную часть 23, вторую группу гребней 24 и неполупроводниковую глазурованную часть 26. Как показано на Фиг.6, напряжение по внешней поверхности ввода 1 вдоль полупроводниковой глазурованной полосы 23 выравнивают до нуля Вольт, и только на конце полупроводниковой глазурованной полосы 23 напряжение на внешней поверхности ввода растет также, как на вводе с неполупроводниковой глазурью.
Согласно вышеупомянутым вариантам осуществления изобретения ввод имеет улучшенное сопротивление к коронным разрядам и пробою благодаря нанесению на ввод полупроводниковой глазури. Внешняя поверхность ввода включает полосы полупроводниковой глазури по обеим сторонам фланца. Внутренняя поверхность ввода включает полупроводниковую глазурь, имеющую удельное сопротивление, отличающееся от удельного сопротивления полос на внешней поверхности ввода. Для электрического соединения фланца с полупроводниковыми глазурованными полосами на концы фланца наносят электропроводный клей.
Хотя изобретение было подробно изложено только на ряде примеров его осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничено такими раскрытыми примерами. Напротив, изобретение может быть модифицировано с включением любого количества вариаций, изменений, замещений или эквивалентных компоновок, не описанных выше, но соответствующих замыслу и объему изобретения. Кроме того, хотя описаны различные варианты осуществления изобретения, следует понимать, что аспекты изобретения могут включать только некоторые из описанных вариантов. Соответственно изобретение не ограничено приведенным описанием, но ограничено только объемом прилагаемой формулы изобретения.