ТОКООГРАНИЧИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ.
Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к высоковольтному оборудованию - высокотемпературным сверхпроводящим токоограничивающим устройствам (далее ВТСП ТОУ), работающим в среде жидкого азота в сетях 35-750 кВ.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.
В патенте на полезную модель RU 183512 раскрывается токоограничивающее устройство на основе высокотемпературной сверхпроводимости, которое представляет собой цилиндрический криостат, установленную в криостате сборку сверхпроводящих токоограничивающих модулей, соосно размещенных относительно горизонтальной оси криостата, колодцы, размещенные в верхней части криостата и установленные в колодцах подводящий и отводящий изолированные токовводы, где каждый токоввод одним концом соединен со сборкой упомянутых модулей, а вторым концом - с электрической сетью.
Данная полезная модель обеспечивает стабильную эксплуатацию ВТСП ТОУ на напряжениях 220 кВ и более, а также позволяет упростить конструкцию ВТСП ТОУ. Наиболее близким высоковольтным опорным изолятором к предложенному раскрывается в патент на изобретение RU 2691746.
В соответствии с данным патентом известно токоограничивающее устройство на основе высокотемпературной сверхпроводимости, содержащее цилиндрический криостат, выполненный с возможностью заполнения его криогенной средой; установленную в криостате сборку сверхпроводящих токоограничивающих модулей, соединенных между собой, где каждый модуль выполнен в виде катушки намотанной высокотемпературной сверхпроводящей ленты и защитный экран, размещенный вокруг упомянутой сборки соосно оси упомянутой и подводящий и отводящий изолированные токовводы, где каждый токоввод одним концом соединен со сборкой упомянутых модулей, а вторым концом - с электрической сетью.
В обоих цитировавшихся выше технических решениях не раскрывается, каким образом осуществляется закрепление сборки модулей внутри криостата. Данный аспект является чрезвычайно важным для достижения высоких эксплуатационных свойств.
Предшествующий опыт создания аналогичных ВТСП ТОУ, показывает, что сборка устанавливается либо непосредственно на днище криостата, либо подвешивается на общем стержне.
Однако, такая установка может вызвать рост напряженности электрического поля между сборкой токоограничивающих модулей и заземленными стенками криостата и, как следствие, снижение электрической прочности ВТСП ТОУ, что может составить техническую проблему при эксплуатации ВТСП ТОУ.
Задачей полезной модели является устранение вышеуказанной технической проблемы, а именно, устранить рост напряженности электрического поля между сборкой токоограничивающих модулей и заземленными стенками криостата и увеличить электрическую прочность ВТСП ТОУ.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ.
Поставленная задача решается высоковольтным токоограничивающим устройством на основе высокотемпературной сверхпроводимости, содержащим: горизонтальный цилиндрический криостат;
размещенную в криостате сборку соосно расположенных сверхпроводящих токоограничивающих модулей, нанизанных на центральную опору, где упомянутая сборка установлена, по меньшей мере, на двух парах опорных изоляторов, изоляционная часть которых выполнена в форме стержней с частично гофрированной внешней поверхностью, при этом изоляторы в каждой паре одним концом закреплены на центральной опоре, а другим - прикреплены к внутренней поверхности криостата и
подводящий и отводящий изолированные токовводы, где каждый токоввод одним концом соединен со сборкой упомянутых модулей, а вторым концом - с электрической сетью.
В частных воплощениях полезной модели изоляционная часть опорного изолятора выполнена из стеклотекстолита на основе эпоксидной смолы и стеклоткани.
В иных воплощениях полезной модели изоляторы в каждой паре размещены под углом 60° друг к другу.
Высоковольтное токоограничивающее устройство, в котором упомянутая центральная опора может быть выполнена в виде трубы из текстолита или двух параллельно расположенных труб.
Высоковольтное токоограничивающее устройство, в котором модуль в сечении может иметь форму окружности.
Высоковольтное устройство, в котором модуль в сечении может иметь форму эллипса.
Высоковольтное токоограничивающее устройство, в котором изолятор может быть снабжен фиксатором из нержавеющей стали, выполненным с возможностью его закрепления на центрирующем приспособлении.
Высоковольтное токоограничивающее устройство, в котором изоляторы могут быть прикреплены к внутренней поверхности криостата при помощи планки, выполненной с возможностью ее присоединение к упомянутой поверхности посредством сварки или пайки.
В этом случае электрод может быть выполнен с пазом, а планка выполнена с ответным выступом.
Высоковольтное токоограничивающее устройство, в котором модуль может быть снабжен защитным экраном.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 приведена схема ВТСП ТОУ.
На фиг. 2 приведена схема опорного изолятора.
На фиг. 3 приведена зависимость напряженности электрического поля от длины опорного изолятора
1. Криостат
2. Токоограничивающий модуль
3. Токоввод
4. Опорный изолятор
5. Подводящая шина
6. Отводящая шина
7. Экраны
8. Стержень
9. Гофрированная поверхность
10. Центральная опора
11. Фиксатор
12. Выемка
13. Крепежное отверстие
14. Планка
15. Выступ
16. Ответный паз
Сущность полезной модели состоит в следующем.
Сверхпроводниковое токоограничивающее устройство представляет собой сборную конструкцию из заземленного криостата (1) (Фиг. 1), сборки токоограничивающих модулей (2), которые находятся под напряжением, а также токовводов (3), обеспечивающих подачу тока от сети в токоограничивающее устройство. Для перехода токоограничивающего модуля в сверхпроводящее состояние внутренняя полость криостата заполняется жидким азотом, который имеет электрическую прочность сопоставимую с прочностью трансформаторного масла, и выполняет помимо охлаждающих функций также и функцию электрической изоляции.
Для обеспечения корректной работы токоограничивающего устройства необходимо разместить токоограничивающий модуль (2), находящийся под напряжением, на безопасном расстоянии от внутренних стенок заземленного криостата (1) с учетом диэлектрической прочности жидкого азота. Использование опорных изоляторов (4), в соответствии с настоящим изобретением устраняет вышеописанную проблему электрической прочности, закрепляя сборку токоограничивающих модулей (2) в заданном месте внутри криостата и обеспечивая безопасное расстояние между токоограничивающим модулем и корпусом устройства.
Опорные изоляторы (4) используются для размещения сборки сверхпроводящих модулей (2) внутри криостата (1) сверхпроводящего ограничителя токов короткого замыкания.
Сборка модулей (2) сверхпроводящего ограничителя тока представляет собой набор последовательно соединенный токоограничивающих сверхпроводящих модулей, соединенных с противоположных сторон подводящей (5) и отводящей (6) шиной. Модули (2) могут быть закрыты защитными экранами (7), обеспечивающими выравнивание напряженности электрического поля.
В верхней части криостата герметично установлены два вышеупомянутых токоввода (3), которые соединяются с модулями через соединительные шины.
Модули (2) представляют собой катушку компактного расположения провода и изготавливаются из, по меньшей мере, одного высокотемпературного сверхпроводящего провода. Модуль в сечении может иметь форму правильной окружности либо форму эллипса.
Изоляционная часть опорного изолятора (4) выполнена в форме стержней (8) (см. фиг. 2) с частично гофрированной внешней поверхностью стержня (9).
Для изготовления опорных изоляторов используется стеклотекстолит на основе эпоксидной смолы и стеклоткани. Данный материал является стойким к работе в агрессивной электроизоляционной среде, такой как жидкий азот, обладает высокой прочностью, в том числе и на удар, влагостоек и не горюч, а также имеет небольшой коэффициент теплового расширения, в результате чего почти не деформируется при изменении температуры от комнатной (20 С) до температуры жидкого азота (-196 С) и не трескается. Опорные изоляторы из этого материала способны выдерживать значительные нагрузки, при относительно небольшом весе.
Для обеспечения высоких значений разрядных напряжений Up при сохранении компактных размеров, как указывалось, опорные изоляторы выполняются с развитыми гофрированными поверхностями (юбками). Увеличение длины юбки повышает длину пробега поверхностного заряда Ly, от которой зависит разрядное напряжение. При этом растет не только полная длина утечки по поверхности, но и диаметр изолятора D, что уменьшает значение разрядного напряжения, согласно формуле:
где Δ - толщина возможного слоя загрязнения с удельным объемным сопротивлением ρ, Iу - ток утечки по изолятору.
Опорные изоляторы (4), в количестве 4 штук, располагаются попарно с двух сторон от сборки сверхпроводящих модулей под углом друг к другу.
Целесообразно, чтобы угол в каждой паре составлял 60 градусов, что дает наиболее эргономичное размещение сборки модулей (2).
Для более массивных ВТСП ТОУ число опорных изоляторов (4) может быть увеличено.
Опорные изоляторы (4) одним концом закрепляют на центральной опоре (10), а другим - прикрепляют к внутренней поверхности криостата (1).
Центральная опора (10) может быть выполнена в виде трубы из текстолита. Такое исполнение выгодно в том случае, если модуль ВТСП ТОУ (2) имеет сечение в виде окружности. Если же модуль ВТСП в сечении имеют эллиптическую форму, то центральная опора (10) может быть выполнена в виде двух параллельно установленных труб/стержней, что придаст сборке модулей большую устойчивость.
Опорный изолятор (2) может быть закреплен на опоре (10) с помощью фиксатора (11) (см. фиг. 2).
Фиксатор (11) выполнен из нержавеющей стали, опорный изолятор (2) одним концом устанавливается в выемку (12), а центральная опора (10) в виде одной или двух параллельно установленных труб закрепляется в крепежном отверстии/отверстиях (13).
С другой стороны опорный изолятор (2) прикрепляется к внутренней поверхности криостата (1).
В наилучших воплощениях полезной модели для прикрепления изолятора (2) к криостату (1) используется дополнительная планка (14), которая приваривается или припаивается к внутренней стороне криостата. В планке выполняется выступ (15), а в изоляторе (4) - ответный паз (16).
Такое крепление отличается простотой изготовления, хотя возможно и иное осуществление крепления, например, выступ может быть выполнен непосредственно на внутренней стенке криостата.
Конструкция опорных изоляторов обладает высокой механической прочностью, обеспечивая надежность работы изолятора при сжатии, изгибе, сдвиге и других видах деформации, возникающих в процессе эксплуатации устройства.
На фиг. 3 представлена напряженность электрического поля на поверхности опорного изолятора на разном расстоянии. Как видно, 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.