ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ ТОКООГРАНИЧИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ.
Полезная модель относится к области электротехники, в частности к высоковольтному оборудованию, и может найти применение в токоограничивающих устройствах на основе высокотемпературной сверхпроводимости (далее ВТСП ТОУ) для снижения коронного разряда на металлических частях и сглаживания напряженности электрического поля в сетях до 750 кВ.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.
В основе действия ВТСП ТОУ лежит свойство сверхпроводника переходить из состояния с нулевым сопротивлением в состояние с конечной проводимостью при превышении некоторого порогового значения тока, при котором переход происходит без внешнего воздействия.
Для снижения аварийных токов короткого замыкания в электрических сетях зачастую в ВТСП ТОУ используются защитные экраны, что повышает надежность электроснабжения, качество электроэнергии и снижает износ электрооборудования. В частности, такие экраны могут устанавливаться, например, на элементы модулей ВТСП ТОУ (см., например, RU 2691746).
В соответствии сданным патентом, ВТСП ТОУ содержит: 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; защитный экран, размещенный вокруг упомянутой сборки соосно оси упомянутой сборки и выполненный в виде полого цилиндрического элемента с торцевыми фланцами, где цилиндрический элемент изготовлен составным из деталей в форме эллиптического полутора, а каждый торцевой фланец выполнен в виде полуэллипсоида вращения; подводящий и отводящий изолированные токовводы, где каждый токоввод одним концом соединен со сборкой упомянутых модулей, а вторым концом - с электрической сетью.
Данное изобретение позволяет уменьшить напряженность электрического поля между сборкой токоограничивающих модулей и заземленными стенками криостата и, как следствие, повышение электрической прочности токоограничителя.
Однако, изобретение не позволяет устранить или, хотя бы, уменьшить напряженность электрического поля между контактом подключения высоковольтной линии к ВТСП ТОУ и заземленным корпусом ВТСП ТОУ.
Определенные усилия для решения этой проблемы приложены в патенте RU 183512. Высоковольтное ВТСП ТОУ в соответствии с данным патентом содержит горизонтальный цилиндрический криостате внутренней и внешней стенками, образующими объем для размещения криогенной среды; установленную в криостате ВТСП сборку соосно размещенных токоограничивающих модулей ограничителя тока; колодцы, размещенные в верхней части криостата, входящие в его состав; вертикально установленные в колодцах подводящий и отводящий токовводы, где каждый токоввод одним концом соединен со сборкой упомянутых модулей, а вторым концом - с электрической сетью, при этом, каждый упомянутый токоввод представляет собой электрический проводник, содержащий последовательно расположенные изолирующую оболочку, выполненную из пропитанного электроизоляционной смолой нетканого гидрофобного материала и монолитную защитную оболочку из диэлектрического эластичного материала.
Как следует из цитируемого патента, данное ВТСП ТОУ позволяет обеспечить стабильную эксплуатацию на напряжениях 220 кВт и более.
Тем не менее, нельзя считать решенной проблему, связанную с ростом напряженности электрического поля между контактом подключения высоковольтной линии к ВТСП ТОУ и заземленным корпусом ВТСП ТОУ, который в связи с особенностями конструкции криогенного оборудования под избыточным давлением включает в себя выступающие неэкранированные части, в частности: клапаны-сбросники излишнего давления, запорные криогенные и газовые вентили, разрывные мембраны, криогенные трубопроводы подачи хладагента (жидкого азота), и др.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Заявленная полезная модель устраняет выявленную техническую проблему, следовательно, задачей полезной модели является уменьшение напряженности электрического поля между контактом подключения высоковольтной линии к ВТСП ТОУ и заземленным корпусом ВТСП ТОУ.
Поставленная задача решается высоковольтным токоограничивающим устройством на основе высокотемпературной сверхпроводимости, содержащим:
цилиндрический криостат с навесным криогенным и газовым оборудованием для поддержания условий рабочей среды;
размещенную в криостате сборку соосно расположенных сверхпроводящих токоограничивающих модулей и
изолированные токовводы, каждый из которых одним концом соединен со сборкой упомянутых модулей, а другим концом через клемму подключен к электрической сети, при этом каждый токоввод снабжен верхним и нижним защитными экранами, где верхний экран выполнен в виде двух одинаковых тороидов, размещенных коаксиально и параллельно друг другу и соединенных между собой планками, а нижний экран выполнен в виде двух тороидов одинакового сечения, коаксиально размещенных в одной плоскости и соединенных между собой планками.
В частных воплощениях полезной модели поставленная задача решается высоковольтным токоограничивающим устройством, в котором тороиды в верхнем защитном экране соединены между собой вертикально ориентированными планками. В частных воплощениях высоковольтного токоограничивающего устройства тороиды в нижнем защитном экране могут быть соединены между собой радиально ориентированными планками.
В частных воплощениях высоковольтного токоограничивающего устройства криостат может иметь горизонтальную ориентацию и выполнен с колодцами, смонтированными в верхней части криостата с возможностью вертикального размещения в них упомянутых изолированных токовводов.
В частных воплощениях высоковольтного токоограничивающего устройства токоввод может быть выполнен с фланцем, при этом нижний экран прикреплен к фланцу токоввода.
В частных воплощениях высоковольтного токоограничивающего устройства верхний экран может быть прикреплен к клемме токоввода.
В частных воплощениях высоковольтного токоограничивающего устройства защитные экраны могут быть выполнены из коррозионностойких металлов или сплавов.
В этом случае защитные экраны могут быть выполнены из алюминия или сплавов на основе алюминия.
В частных воплощениях высоковольтного токоограничивающего устройства защитные экраны могут быть выполнены из несплошного материала.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 приведен чертеж высоковольтного токоограничивающего устройства с защитными экранами.
На фиг. 2 приведен общий вид высоковольтного токоограничивающего устройства с защитными экранами.
Позиции на фигурах означают следующее:
1 цилиндрический криостат
2 заливочный криогенный трубопровод;
3 разрывная мембрана
4 сборка сверхпроводящих токоограничивающих модулей
5 высоковольтный токоввод
6 клемма
7 верхний экран
8 нижний экран
9, 10, 11 тороид
12, 13 планка
14 фланец токоввода
15 колодец;
16 криогенная среда
17 клапан.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ.
Сущность полезной модели состоит в следующем.
Предложенное высоковольтное ВТСП ТОУ включает цилиндрический криостат (1) (фиг. 1, 2) с навесным криогенным и газовым оборудованием для поддержания условий рабочей среды, таким, как заливочные криогенные трубопроводы (2) и разрывная мембрана (3).
В криостате (1) размещена сборка соосно расположенных сверхпроводящих токоограничивающих модулей (4).
ВТСП ТОУ также включает изолированные высоковольтные токовводы (5), установленные попарно, каждый из которых одним концом соединен со сборкой модулей (4), а другим концом через клемму (6) подключен к электрической сети, при этом каждый токоввод (5) снабжен верхним (7) и нижним (8) защитными экранами. Экраны выполнены в форме тороидов (9,10,11), соединенных планками (12 и 13) и используются для уменьшения напряженности электрического поля между клеммой (6) подключения высоковольтной линии к ВТСП ТОУ и заземленным криостатом ВТСП ТОУ (1).
Верхний экран (7) выполнен в виде двух одинаковых тороидов (9), расположенных друг над другом с общей осью, а нижний экран выполнен в виде тороидов (10) и (11) одинакового сечения, коаксиально размещенных в одной плоскости и имеющих различные главные диаметры. Тороиды (9) верхнего экрана (7) могут быть соединены между собой вертикально ориентированными планками (12), а тороиды (10, 11) нижнего защитного экрана (8) могут быть соединены между собой радиально ориентированными планками (13).
Высоковольтные вводы (5) крепятся к цилиндрическому криостату (1), например, путем болтового соединения фланца (14) токоввода (5) с колодцем (15). Нижний защитный экран (8) крепится к заземленному на криостат (1) фланцу ввода (14) путем болтового соединения к 4 отверстиям, равноудаленным по диаметру, что дает потенциал земли на данный экран (8). Верхний защитный экран (7) крепится к экрану токоввода (5) в районе контактной клеммы (6) при помощи болтового соединения в 4 точках равноудаленных по диаметру, в результате чего верхний защитный экран (7) находится под потенциалом подаваемого на ВТСП ТОУ напряжения.
Подводящий и отводящий токоввод (5) соединены со сборкой соосно размещенных сверхпроводящих токоограничивающих модулей (4) в криогенной среде (16) при помощи подводящей и отводящей шин.
Модуль (4) в сборке представляет собой катушку компактного расположенного провода и изготавливается из, по меньшей мере, одного высокотемпературного сверхпроводящего провода.
Криостат (1) может быть выполнен из нержавеющей стали и в горизонтальной конфигурации, которая обеспечивает полезной модели дополнительные преимущества - позволяет снизить риск появления электрического разряда между концами токовводов при высоких напряжениях.
Защитные экраны (7, 8) могут быть изготовлены из коррозионностойких металлов или сплавов, обеспечивающих стабильность их эксплуатации, в наилучших воплощениях полезной модели изготавливаются из алюминия марки 1050, что обеспечивает снижение стоимости ВТСП ТОУ.
Защитные экраны (7, 8) могут быть изготовлены из нескольких материалов, которые выбираются из соображений стоимости, габарита, веса, прочности, но, при этом, не теряют в электрической прочности.
В качестве альтернативы, возможно изготовление защитных экранов из диэлектриков с нанесением металлических или других экранирующих поверхностей на диэлектрическую основу.
Также возможно покрытие экранов фольгой, нанесение металлических или других экранирующих поверхностей на металлический каркас, создающий необходимую для безопасной эксплуатации конфигурацию электрического поля.
Для уменьшения стоимости и веса изделия защитные экраны могут быть выполнены из несплошного материала (сетка, пружина, другие материалы) с сохранением электрической прочности.
Для наглядного представления преимуществ применения высоковольтных экранов были проведены осесимметричные расчеты для двух случаев: без использования экранов (фиг. 4а) и с использованием экранов (фиг. 4б). Расчеты были проведены для напряжения 460 кВт, что является максимальным напряжением для высоковольтных устройств на класс 220 кВт, применяемое в ходе испытаний оборудования. Считается, что это напряжение является достаточным для стабильной и безопасной эксплуатации высоковольтного устройства на класс 220 кВ.
6
6
Для расчета применялись упрощенная модель высоковольтного ввода (5), размеры которого совпадают с размерами реального высоковольтного ввода. Также добавлены заливочные криогенные трубопроводы (2), а также схематические клапаны-сбросники (17). Как видно из фиг. 4а и 46, добавление экранов снизило напряженность электрического поля с 3⋅10 В/м до 1⋅10 В/м.
6
Как известно, 3⋅10 В/м является достаточной напряженностью для образования коронных разрядов. Поэтому устройство без экранов будет иметь большие частичные разряды, и возможен пробой, что не допустит высоковольтное устройство в эксплуатацию. Применение же экранов убирает эту проблему с более чем двукратным запасом.
Как следует из представленного описания полезной модели, предложенное техническое решение является простым в установке и транспортировке, сроки эксплуатации, благодаря установленным защитным экранам, превышают сроки эксплуатации ВТСП ТОУ без экранов, эксплуатация ВТСП ТОУ не требует профилактики, а также позволяет использовать стандартные коммерческие изделия для установки на криостат, что уменьшает стоимость и сокращает сроки разработки и производства.