ТОКОВВОД ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО СИЛОВОГО КАБЕЛЯ

Полезная модель относится к криогенной технике, а именно к сверхпроводящим проводникам, и может быть использована в конструкции высокотемпературных сверхпроводящих силовых кабелей.
Известны различные модификации токовводов, применяемых в составе высокотемпературных сверхпроводящих силовых кабелей для соединения низкотемпературных элементов конструкции сверхпроводящих силовых кабелей с промышленными силовыми кабелями и высоковольтным оборудованием, работающим при нормальных температурных условиях. Так, например, в российском патенте RU 97206 (МПК H01B 12/16, опубликован 27.08.2010) описан токовввод сверхпроводящего кабеля. Устройство содержит сверхпроводящий кабель, силовой токонесущий элемент, токонесущий вывод экрана, высоковольтный изолятор и криостат с криогенными интерфейсами. Для сокращения тепловых потерь устройство снабжено азотным каналом, в котором размещены выводы экрана и соединение выводов экрана.
В патенте Великобритании GB 1402300 (МПК H02G 15/08, опубликован 03.08.1975) представлена конструкция токоввода сверхпроводящего силового кабеля. Сверхпроводящий кабель непосредственно состыкован с силовым токонесущим элементом. Хладоагент заполняет внутреннее пространство коаксиального кабеля. При этом противоположная по отношению к области контакта торцевая часть токонесущего элемента находится при нормальной температуре окружающей среды. С целью снижения тепловых потерь, возникающих за счет высокой теплопроводности металлического токонесущего элемента, применяются теплообменники, которые контактируют с внешней поверхностью токонесущего элемента. Через теплообменники прокачиваются хладоагенты, имеющие различную температуру, с целью создания заданного градиента температур вдоль токонесущего элемента. Подводящие к теплообменникам трубопроводы выполнены в форме спирали, образующей коническую поверхность. Спиралеобразные трубопроводы служат в качестве тепловых экранов в полости, образованной высоковольтным изолятором.
Наиболее близким аналогом полезной модели является токоввод высокотемпературного сверхпроводящего силового кабеля, конструкция которого описана в патенте США US 6936771 (МПК Н01 В12/00, опубликован 30.08.2005). Известный токоввод содержит внешний силовой токонесущий элемент, который находится при температуре окружающей среды. Внешний токонесущий элемент соединен с внутренним токонесущим элементом, установленным в герметичной полости высоковольтного электрического изолятора. Сверхпроводящий кабель помещен в охлаждаемый жидким азотом криостат, который снабжен криогенными интерфейсами для соединения с кабелем и с источником жидкого азота.
Внутренний и внешний проводники сверхпроводящего кабеля раздельно соединены с токонесущими элементами в теплой зоне, находящейся при температуре окружающей среды. Выводы проводников кабеля имеют три последовательно расположенные зоны: низкотемпературную зону, охлаждаемую жидким азотом, промежуточную зону и теплую зону, в которой размещены контакты с токонесущими элементами. При этом первая зона, заполненная жидким азотом, сообщена через капиллярный канал с теплой зоной. Вследствие этого обеспечивается подача газообразного азота в область размещения электрических контактов с целью создания требуемого градиента температур между выводами проводников сверхпроводящего кабеля и силовыми токонесущими элементами.
Однако данное техническое решение не позволяет исключить или существенно снизить тепловые потери через силовые токонесущие элементы, расположенные внутри герметичных высоковольтных изоляторов, и через камеры, в которых установлены токонесущие элементы. Тепловые потери обусловлены, в первую очередь, высокой теплопроводностью металлических токонесущих элементов, установленных в теплой зоне устройства. В камере изолятора образуется газообразный азот, поступающий в камеру через капиллярные каналы сверхпроводящего кабеля. При этом в области пространства, прилегающей к поверхности токонесущего элемента, происходит естественная конвекция газообразного азота. В результате этого интенсифицируется теплообмен между низкотемпературной зоной сверхпроводящего кабеля и внешним токонесущим элементом, находящимся при температуре окружающей среды. Вследствие данных процессов возникает дополнительный теплоприток в низкотемпературную зону устройства.
Полезная модель направлена на создание условий, при которых существенно снижается конвективный теплообмен вдоль поверхности металлического токонесущего элемента в направлении от верхнего фланца корпуса камеры изолятора, на котором установлена шина подключения к промышленной силовой электрической сети, к низкотемпературной зоне устройства, расположенной в полости криостата, которая заполнена жидким хладоагентом. Решение данной технической задачи обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении энергетической эффективности токоввода и высокотемпературного сверхпроводящего кабеля за счет снижения теплообмена между низкотемпературной зоной устройства, охлаждаемой жидким хладоагентом, и теплой зоной устройства, в которой происходит нагрев токонесущего элемента и интенсивный теплообмен с окружающей средой.
Данный технический результат достигается с помощью токоввода высокотемпературного сверхпроводящего силового кабеля, который включает в свой состав высоковольтный изолятор, токонесущий элемент, вертикально установленный в герметичной камере высоковольтного изолятора, криостат, контакт подключения токонесущего элемента к сетевому кабелю и контакт подключения токонесущего элемента к высокотемпературному сверхпроводящему силовому кабелю. При этом последний контакт расположен в полости криостата, заполненной жидким хладоагентом.
Согласно разработанному техническому решению токоввод включает в свой состав диэлектрический тепловой экран, образующий с поверхностью токонесущего элемента кольцеобразный капиллярный канал. Данный канал соединяет полость криостата, заполненную жидким хладоагентом, с герметичной камерой высоковольтного изолятора. Кроме того, токоввод содержит диэлектрические перегородки, горизонтально установленные в камере высоковольтного изолятора и образующие криволинейный проточный канал вдоль токонесущего элемента.
Использование токоввода, в котором образован капиллярный канал между токонесущим элементом и диэлектрическим экраном, отделяющим полость криостата, заполненную жидким хладоагентом, от газовой полости в камере высоковольтного изолятора, а также криволинейного канала вдоль токонесущего элемента для создания органиации движения газообразного хладоагента, позволяет существенно снизить тепловые потоки, поступающие из окружающей среды в криостат.
Следует отметить, что при применении традиционной конструкции токоввода возникают значительные тепловые потоки, связанные с теплопроводностью токонесущего элемента, тепловыделением в токонесущем элементе, возникающим при протекании через него электрического тока, и естественной конвекцией газообразного хладоагента. При этом конвективные потоки газообразного хладоагента возникают в кольцевой полости камеры изолятора между внутренней поверхностью корпуса изолятора, поверхностью токонесущего элемента, верхним фланцем изолятора и поверхностью жидкого хладоагента в низкотемпературной зоне устройства. В результате проведенных исследований было установлено, что процесс интенсивной естественной конвекции в кольцеобразной полости камеры высоковольтного изолятора связан с формированием сложной системы трехмерных нестационарных вихрей в газообразной среде. Так, например, в нижней области кольцевой полости образуется винтовой вихрь, переносящий значительные тепловые потоки. Суммарная величина теплопритоков из окружающей среды в низкотемпературную область устройства составляет до 300 Вт, при этом 50% от величины теплопритоков приходится на тепловые потери, обусловленные естественной конвекцией газообразного хладоагента вдоль поверхности токонесущего элемента.
Применение новой конструкции токоввода позволяет на 50% снизить тепловые потери за счет снижения конвективного теплопереноса путем уменьшения масштаба трехмерных вихрей в газообразной среде, заполняющей камеру высоковольтного изолятора. Дробление крупномасштабных вихрей на более мелкие осуществляется с помощью диэлектрических перегородок, расположенных вдоль поверхности токонесущего элемента. Газообразная среда в полости камеры высоковольтного изолятора образуется в результате перетекания жидкого хладоагента через кольцеобразный капиллярный канал, образованный между диэлектрическим экраном, фиксирующим уровень жидкого хладоагента в криостате, и поверхностью токонесущего элемента.
Расстояние между близлежащими поверхностями диэлектрических перегородок вдоль токонесущего элемента выбирается в диапазоне от 3 мм до 7 мм. В частном случае реализации полезной модели между торцевыми частями перегородок и поверхностью токонесущего элемента может быть образован кольцеобразный зазор, оптимальные значения которого составляют от 3 мм до 4 мм.
Между торцевыми частями перегородок и внутренней поверхностью камеры высоковольтного изолятора может быть образован кольцеобразный зазор, величина которого предпочтительно составляет от 4 мм до 14 мм.
Диэлектрические перегородки могут быть выполнены из полимерного материала, обладающего необходимыми свойствами для механической обработки, в частности из капролона.
Диэлектрический экран может быть выполнен в виде втулки, образующей герметичное соединение со стенками криостата. В качестве материала втулки может быть использован капролон.
Далее полезная модель поясняется описанием конкретного примера выполнения токоввода высокотемпературного сверхпроводящего силового кабеля. На прилагаемом чертеже (см. фиг.1) схематично изображен разрез токоввода.
Токоввод включает в свой состав криостат 1, заполненный жидким азотом. Криостат представляет собой многослойную конструкцию с внешней экранно-вакуммной изоляцией. Внутренняя часть криостата выполнена из фторопласта. На одной стенке криостата 1 установлено устройство для подачи в камеру криостата переохлажденного жидкого азота, которое выполнено в виде форсунки 2. Входной канал форсунки 2 сообщен с магистралью подвода жидкого хладоагента (криогенным интерфейсом). На противоположной стенке криостата 1 размещен электрический вывод проводника 3 высокотемпературного сверхпроводящего силового кабеля. В соединительном узле криостата и силового кабеля выполнены проточные каналы 4 для подачи жидкого хладоагента в проточную полость сверхпроводящего силового кабеля.
Проводник 3 соединен с токонесущим элементом 5 через контакт 6 подключения токонесущего элемента к высокотемпературному сверхпроводящему силовому кабелю. Вывод проводника 3 подключен к контакту 6 с помощью гибких шин 7, выполненных в виде участков гибкого проводника. Противоположная торцевая часть токонесущего элемента 5 соединена с шиной 8 подключения к силовому кабелю промышленной электрической сети через контакт 9 подключения токонесущего элемента 5 к силовому кабелю. Токонесущий элемент 5 выполнен в виде стержня, образованного витыми токопроводящими жилами, в качестве которых использован гибкий электрический провод типа ПЩ диаметром от 0,3 мм до 0,6 мм.
Токонесущий элемент 5 вертикально установлен в герметичной камере высоковольтного изолятора, которая образована внутри корпуса 10. Стенки корпуса 10 имеют многослойную конструкцию. Каждый слой стенки корпуса 10 выполнен из определенного композитного материала. В качестве материалов многослойной стенки корпуса 10 используются текстолит, полиимид и силикон. На внешней поверхности корпуса 10 установлены силиконовые чашки 11 и 12, служащие для предотвращения электрического пробоя вдоль внешней поверхности корпуса 10.
Полость криостата 1, заполненная жидким азотом, отделена от газовой полости камеры высоковольтного изолятора диэлектрическим тепловым экраном. Экран выполнен в виде втулки 13, которая изготовлена из капролона. Между внутренней поверхностью диэлектрической втулки 13 и противолежащей поверхностью токонесущего элемента 5 образован кольцеобразный зазор, служащий капиллярным каналом. Канал 14 соединяет полость криостата 1, заполненную жидким азотом, и герметичную полость камеры высоковольтного изолятора, образованную корпусом 10. Ширина кольцеобразного капиллярного канала 14 составляет не более 1,5 мм.
Вдоль поверхности токонесущего элемента 5 в герметичной камере высоковольтного изолятора горизонтально установлены диэлектрические перегородки 15, выполненные из капролона. Расстояние между близлежащими поверхностями перегородок 15 вдоль токонесущего элемента 5 выбрано равным 6 мм. Между торцевыми частями перегородок 15 и поверхностью токонесущего элемента 5 образован кольцеобразный зазор шириной 3 мм. Между торцевыми частями перегородок 15 и внутренней поверхностью корпуса 10 образован кольцеобразный зазор шириной 7 мм.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Переохлажденный жидкий азот подается в полость криостата 1 под избыточным давлением через форсунку 2. Часть потока жидкого азота перетекает через каналы 4 и криогенный интерфейс в проточную полость сверхпроводящего силового кабеля. Остальная часть жидкого азота протекает через кольцеобразный капиллярный канал 14, образованный между диэлектрической втулкой 13 и токонесущим элементом 5, в полость камеры высоковольтного изолятора. В полости под корпусом 10 жидкий азот испаряется и преобразуется в газообразное состояние. Поверхность (зеркало) жидкого азота в криостате 1 фиксируется диэлектрической втулкой 13. В результате этого в кольцеобразном пространстве ограниченном внутренней поверхностью корпуса 10 изолятора и поверхностью токонесущего элемента 5, формируется газовая полость, заполненная газообразным азотом. Данная газовая полость расположена вне зоны установки экранно-вакуумной изоляции, т.е. за пределами низкотемпературной зоны устройства. Материал втулки 13 подбирается таким образом, чтобы обеспечить теплоизоляцию камеры высоковольтного изолятора от низкотемпературной области криостата 1, заполненной жидким азотом.
При достижении рабочей температуры в высокотемпературном сверхпроводящем кабеле в рабочем диапазоне от 67 до 77 К на шину 8, подключенную к силовому кабелю промышленной электрической сети, подается высокое напряжение и через контакт 9 подключения токонесущего элемента 5 к силовому кабелю начинает протекать электрический ток. Электрический ток протекает по гибким проводникам, образующим токонесущий элемент 5, вызывая его нагрев. Через контакт 6 подключения токонесущего элемента 5 к высокотемпературному сверхпроводящему силовому кабелю и через гибкие шины 7 электрический ток поступает на вывод проводника 3 силового кабеля.
Электрическая прочность токоввода при его работе обеспечивается с помощью высоковольтного изолятора. Многослойный диэлектрический корпус 10 и силиконовые чашки 10 и 11, входящие в состав изолятора, препятствуют образованию электрических пробоев между элементами токоввода, которые находятся под высоким напряжением.
Требуемая низкая температура контакта 6 и соединительных гибких шин 7 достигается за счет погружения их в жидкий азот в низкотемпературной зоне устройства. Тепловые потоки, протекающие через камеру высоковольтного изолятора, и связанные с этим тепловые потери зависят от величины теплопроводности токонесущего элемента 5 и интенсивности конвективного теплообмена. Естественная конвекция газообразного азота возникает в кольцевой камере высоковольтного изолятора, образованной между внутренней стенкой корпуса 10 и поверхностью токонесущего элемента 5. В верхней части камера изолятора ограничена фланцем корпуса 10, а в нижней - поверхностью жидкого азота, заполняющего криостат 1. Основная часть конвективных тепловых потоков переносится нестационарными крупномасштабными вихревыми потоками газообразного хладоагента.
Уменьшение конвективного теплообмена в камере высоковольтного изолятора обеспечивается с помощью диэлектрических перегородок 15, образующих криволинейный проточный канал вдоль токонесущего элемента 5. Перегородки 15 позволяют уменьшить масштаб трехмерных нестационарных вихрей за счет разделения кольцеобразной полости камеры высоковольтного изолятора на отдельные области пространства. При этом масштаб образующихся вихревых структур в газообразном хладоагенте оказывается соразмерным с расстоянием между перегородками 15.
Вследствие разделения пространства кольцеобразной камеры перегородками 15 обеспечивается существенное уменьшение неравномерности полей температур и скоростей вихреобразных газовых потоков вдоль токонесущего элемента 5. Так, например, если теплопередача через токонесущий элемент 5 (за счет теплопроводности) составляет 112,5 Вт, то величина теплового потока со стороны полости камеры изолятора, заполненной газообразным азотом, в полость криостат 1, заполненную жидким азотом, составляет 92,7 Вт. В результате применения горизонтально установленных диэлектрических перегородок 15 теплоприток в низкотемпературную зону устройства снижается на 50%.
Вышеописанный пример осуществления полезной модели основывается на конкретной форме выполнения конструкции токоввода, однако это не исключает возможности достижения технического результата и в других частных случаях реализации полезной модели в том виде, как устройство описано в независимом пункте формулы. Количество диэлектрических перегородок и расстояние между ними может выбираться в зависимости от размеров полости камеры, ограниченной корпусом высоковольтного изолятора и поверхностью токонесущего элемента, от масштаба вихреобразных потоков газообразного хладоагента и интенсивности конвективных тепловых потоков.
Криволинейный проточный канал, предназначенный для организации движения конвективных потоков газообразного хладоагента вдоль токонесущего элемента, может быть образован не только за счет зазоров между торцевыми частями диэлектрических перегородок, поверхностью токонесущего элемента и внутренней поверхностью камеры высоковольтного изолятора, но и путем профилирования перегородок для создания возможности перетекания газообразного хладоагента между секциями камеры, разделенной перегородками. В качестве диэлектрического материала перегородок и экранов наряду с капролоном могут использоваться и другие материалы, при этом выбор диэлектрического материала определяется условиями работы токоввода для каждого конкретного варианта конструкции устройства и предъявляемыми технологическими требованиями.