КРИОСТАТ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ТРАНСФОРМАТОРА
CRYOSTAT OF SUPERCONDUCTING TRANSFORMER

Изобретение относится к области криогенной электротехники, в частности к конструкции трехфазного силового трансформатора с обмотками из высокотемпературных сверхпроводников, и может быть использовано в электроэнергетике.
Известна конструкция криостата для трехфазного сверхпроводящего трансформатора с переключателем ответвлений обмоток. Наружный, внешний, корпус криостата изготовлен из металла с разрывом 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 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 (токи 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, который теплоизолирован от наружного ферромагнитного корпуса (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 предлагаемое техническое решение, является сокращение теплопритоков из окружающей среды через внешнюю тепловую изоляцию тороидальных цилиндрических емкостей к криогенной жидкости (хладагенту) для повышения КПД сверхпроводящего трансформатора.
Указанный технический результат достигается тем, что 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, содержит внешние поверхности цилиндрических тороидальных емкостей криостата, выполненные теплоизолированными, внешняя поверхность теплоизоляционного покрытия каждого из цилиндрических тороидальных емкостей криостата выполнена в виде прямоугольных параллелепипедов, размещенных с зазором между параллельными гранями теплоизоляционного покрытия средней и боковых цилиндрических тороидальных емкостей криостата, при этом длина прямоугольных параллелепипедов в поперечном направлении относительно продольной плоскости симметрии плоского многофазного магнитопровода сверхпроводящего трансформатора больше ширины параллелипипедов параллельной продольной плоскости симметрии плоского многофазного магнитопровода сверхпроводящего трансформатора, а ширина прямоугольных параллелепипедов боковых тороидальных емкостей криостата, размещенных на крайних стержнях плоского многофазного магнитопровода, больше ширины прямоугольного параллелепипеда средней тороидальной емкости криостата, расположенного между боковыми тороидальными емкостями криостата, при этом зазор между параллельными гранями теплоизоляционного покрытия двух соседних тороидальных емкостей криостата заполнен листовым пенополиуретановым материалом, а наружные края зазора по всему периметру уплотнены 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 А-А, на фиг. 3 - вертикальный разрез по сечению Б-Б, а на фиг. 4 - горизонтальный разрез по сечению В-В с заделками (уплотнениями) наружного края зазора между параллельными гранями, теплоизоляционного покрытия двух соседних тороидальных емкостей криостата пенополиуретановыми швами.
Криостат 1, размещенный на стержнях плоского многофазного магнитопровода 2 сверхпроводящего трансформатора, состоит из одной средней отдельной емкости 3 и двух боковых отдельных емкостей 4 для хладагента (криогенная жидкость - жидкий азот). Средняя 3 и боковые 4 емкости имеют равные по диаметру и толщине внутренние 5 и наружные 6 тороидальные теплоизоляционные цилиндры, изготовленные из твердого диэлекрического материала, например из стеклотекстолита, соединенные между собой круглым плоским днищем 7 с круглым отверстием в середине для стержней магнитопровода 2 сверхпроводящего трансформатора, также изготовленным из твердого диэлектрического материала. Средняя 3 и боковые 4 емкости криостата 1 закрываются равными по диаметру и толщине плоскими круглыми крышками 8, имеющими, как и днище 7, круглые отверстия в середине для стержней магнитопровода 2. Внешние поверхности тороидальных цилиндров 6 имеют разные по толщине тепловой изоляции теплоизоляционные покрытия в виде прямоугольных параллелепипедов 9 у средней емкости 3 и 10 у боковых емкостей 4 криостата 1 сверхпроводящего трансформатора.
Между соседними плоскими гранями прямоугольного параллелепипеда 9 средней емкости 3 и прямоугольных параллелепипедов 10 боковых емкостей 4 криостата 1 имеются небольшие технологические зазоры 11, заполненные волокнистым или листовым теплоизоляционным материалом, внешние края этих зазоров по всему периметру заполняются пенополиуретановыми швами 12.
Высота h средней 3 и боковых 4 емкостей криостата 1 сверхпроводящего трансформатора 1 определяются необходимым количеством хладагента для охлаждения сверхпроводящих обмоток, помещаемых в эти емкости, что в свою очередь зависит от мощности сверхпроводящего трансформатора.
Теплоизоляционные параллелепипеды 9 и 10 средней и боковых емкостей криостата 1 расположены таким образом, что их боковые грани длиной l перпендикулярны продольной плоскости симметрии магнитопровода 2 сверхпроводящего трансформатора и могут быть выполнены любой величины, необходимой для эффективного снижения теплопритоков в зону хладагента. Наименьшая толщина теплоизоляционной стенки параллелепипедов 9 и 10, в продольной плоскости симметрии многофазного магниторповода 2 сверхпроводящего трансформатора определяется исходя из допустимого расстояния между обмотками двух соседних фаз сверхпроводящего трансформатора.
Длина l теплоизоляционных параллелепипедов 9 и 10 не имеет ограничений по величине, что позволяет значительно увеличить толщину внешнего слоя тепловой изоляции и тем самым значительно уменьшить теплопритоки в зону хладагента, что сокращает его расход на испарение и повышает КПД сверхпроводящего трансформатора.
Минимальные технологические зазоры 11 (например 3 ч ÷ 5 мм) позволяют обеспечить удобную установку средней и боковых емкостей криостата на стержне магнитопровода сверхпроводящего трансформатора и при необходимости демонтировать их.
После установки средних и боковых емкостей криостата на стержни магнитопровода сверхпроводящего трансформатора зазоры 11 заполняются волокнистым или листовым теплоизоляционным материалом, а внешние края этих зазоров закрываются (уплотняются) пенополиуретановыми швами 12.
Предложенный криостат сверхпроводящего трансформатора может быть использован многофазным (число фаз три и более) силовом трансформаторе со сверхпроводящими обмотками.
Применение криостата с улучшенным теплоизоляционным покрытием, с существенно сниженными теплопритоками в зону хладагента обеспечит уменьшение его испарения и тем самым увеличит КПД сверхпроводящего трансформатора энергетического назначения, с таким криостатом, увеличит технико-экономические показатели энергетической сети в которой он будет использован.