ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ ТОКООГРАНИЧИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к высоковольтному оборудованию - высоковольтному токоограничивающему устройству (далее ВТСП ТОУ) в сетях напряжением 35-750 кВ.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.
В настоящее время в энергетике успешно используются устройства, основанные на явлении высокотемпературной сверхпроводимости. Широкое распространение получили сверхпроводники, применяющиеся при изготовлении, например, силовых кабелей, трансформаторов, электрических машин, индуктивных накопителей энергии, ограничителей тока короткого замыкания и т.п.
Для обеспечения механической и электрической прочности в данных устройствах должны использоваться материалы, которые не теряют своих свойств в условиях жидкого азота. Это касается как металлических материалов, из которых выполняются такие узлы как, например, криостат, так и неметаллических, например различного рода изоляторов.
Изоляционные материалы в ВТСП ТОУ могут быть использованы, например, для изготовления опорных изоляторов, которые предназначены для изоляции и крепления токоведущих частей и частей под потенциалом с напряжением переменного тока до 750 кВ.
Для того чтобы обеспечить изоляцию токоведущей части высоковольтного устройства, такого как ВТСП ТОУ, ее необходимо разместить внутри заземленного корпуса, в среде жидкого азота для обеспечения механической и электрической прочности, что можно реализовать использованием изделий из стеклотекстолита.
Наиболее близкое техническое решение раскрыто в патенте на полезную модель RU 194013
Известное высоковольтное токоограничивающее устройство на основе высокотемпературной сверхпроводимости, содержит: горизонтальный цилиндрический криостат, размещенную в криостате сборку соосно расположенных сверхпроводящих токоограничивающих модулей, нанизанных на центральную опору, при этом, сборка установлена, по меньшей мере, на двух парах опорных изоляторов, изоляционная часть которых выполнена в форме стержней с частично гофрированной внешней поверхностью. Изоляторы одним концом закреплены на центральной опоре, а другим - прикреплены к внутренней поверхности криостата при помощи планки с выступом, который размещается в полости опорного стержня.
Полезная модель в соответствии с RU 194013 устраняет рост напряженности электрического поля между сборкой токоограничивающих модулей и заземленными стенками криостата и увеличивает электрическую прочность ВТСП ТОУ.
Тем не менее, существует некоторая опасность роста напряженности в полости опорного изолятора, в которой размещается выступ, на вершине которого возникают повышенные значения напряженности электрического поля, что, в свою очередь, может приводить к электрическому пробою, а следовательно, к потере электрической прочности самого ВТСП ТОУ с напряжением до 750 кВ, работающего в среде жидкого азота.
Все это представляет определенную техническую проблему для надежности и безопасной длительной эксплуатации ВТСП ТОУ.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей полезной модели является устранение выявленной технической проблемы, а именно, обеспечение надежной и безопасной длительной эксплуатации ВТСП ТОУ за счет уменьшения напряженности электрического поля выступа, на котором крепится опорный изолятор.
Поставленная задача решается тем, что высоковольтное токоограничивающее устройство на основе высокотемпературной сверхпроводимости, содержит криостат с размещенной в нем на центральной опоре сборкой сверхпроводящих токоограничивающих модулей с подводящим и отводящим изолированными токовводами, опирающейся на опорные изоляторы, где каждый изолятор выполнен в форме сплошных стержней из стеклотекстолита с полой нижней частью и прикреплен одним концом к упомянутой центральной опоре, а другим - к внутренней поверхности криостата посредством планки с выступом, при этом в полой нижней части каждого опорного изолятора закреплена посредством клея цилиндрическая втулка с фланцем и выпуклым донышком, радиус кривизны поверхности которого больше радиуса кривизны поверхности упомянутого выступа.
В частных воплощениях полезной модели поставленная задача решается высоковольтным токоограничивающим устройством, в котором опорный изолятор выполнен из стеклотекстолита на основе эпоксидной смолы и стеклоткани.
Поставленная задача также решается высоковольтным токоограничивающим устройством, в котором втулка закреплена в полости клеем из той же эпоксидной смолы, из которой выполнен опорный изолятор.
В других воплощениях полезной модели поставленная задача решается высоковольтным токоограничивающим устройством, в котором втулка выполнена из хромо-никелевых аустенитных сталей.
Поставленная задача также в частных воплощениях может быть решена высоковольтным токоограничивающим устройством, в котором каждый изолятор выполнен с частично гофрированной внешней поверхностью.
Изолятор в частных воплощениях высоковольтного токоограничивающего устройства может быть снабжен фиксатором из нержавеющей стали, выполненным с возможностью его закрепления на центральной опоре.
Планка в частных воплощениях высоковольтного токоограничивающего устройства может быть присоединена к упомянутой внутренней поверхности криостата посредством сварки или пайки.
В частных воплощениях высоковольтного токоограничивающего устройства выступ может быть выполнен в виде конуса.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ.
На фиг. 1 приведена схема ВТСП ТОУ.
На фиг. 2 приведена схема опорного изолятора.
На фиг. 3 приведено изображение втулки.
На фиг. 4 приведено изображение распределения электрического поля в известном ВТСП ТОУ (без втулки).
На фиг. 5 приведено изображение распределения электрического поля в предложенном ВТСП ТОУ (со втулкой).
Позиции на чертежах означают следующее.
1. Криостат
2. Сборка токоограничивающих модулей
3. Токовводы
4. Опорный изолятор
5. Полая часть изолятора
6. Центральная опора
7. Фиксатор
8. Планка
9. Выступ
10. Втулка
11. Фланец втулки
12. Донышко втулки.
Сущность заявленной полезной модели состоит в следующем.
Настоящая полезная модель позволяет повысить электрическую прочность опорного изолятора при сохранении механической прочности, что приводит к уменьшению расстояния между элементами под высоковольтным потенциалом и под потенциалом земли в высоковольтных устройствах.
ВТСП ТОУ представляет собой сборную конструкцию из заземленного криостата (1) (Фиг 1, 2), 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.
Сборка тоокоограничивающих модулей (2) опирается на опорные изоляторы (4). Каждый изолятор (4) выполнен из стеклотекстолита в форме сплошных стержней с полой нижней частью (5) и прикреплен одним концом к центральной опоре (6) через фиксатор (7), а другим - к внутренней поверхности криостата посредством планки (8) с выступом (9).
В полой нижней части (5) каждого опорного изолятора (4) установлена цилиндрическая втулка (10) с фланцем (11) и плоским донышком (12), плавно сопряженными с цилиндрической частью втулки (см. фиг. 3).
Втулка (10) выполнена из криогенно стойкой стали и закреплена в полости посредством клея.
Форма втулки (10), в частности, ее выпуклое донышко, способствует снижению и более равномерному распределению напряженности электрического поля, создаваемого выступом (9) в полой части изолятора (5). Как известно, чем выше радиус кривизны поверхности - тем ниже напряженность электрического поля, создаваемого потенциалом на этой поверхности. Поэтому добавляя втулку (10) радиусом кривизны выше чем у выступа (9), мы имеем тот же потенциал, но значительно более низкую напряженность электрического поля только благодаря применяемой форме. При этом применение втулки (10) никак не влияет на механические функции выступа (9) по надежной фиксации сборки токоограничивающих модулей (2) внутри криостата (1).
Фланец (11) втулки выполняется с тем условием, что с непосредственно с ним контактирует опорный изолятор (4) при его прикреплении к планке (7) с выступом (9), что также уменьшает напряженность электрического поля.
Плавное сопряжение фланца (11) и донышка (12) втулки с ее цилиндрической частью также способствуют снижению напряженности электрического поля.
Определенную роль в достижении технического результата играют материалы, из которых изготовлены опорный изолятор (4) и втулка (10). Изолятор (4) выполнен из стеклотекстолита на основе полимерной смолы и упрочняющих волокон. Хорошими криогенностойкими свойствами будут обладать стеклотекстолиты на основе эпоксидных смол - изделия на основе эпоксидных смол не подвержены растрескиванию и деформации при захолаживании.
Втулка (10) выполнена из криогенностойких сталей, в частности, она выполнена из хромо-никелевых сталей аустенитного класса. Выбор этих сталей обусловлен также тем, что хромо-никелевые аустенитные стали обладают близкими коэффициентами температурного расширения к эпоксидным смолам.
В самом идеальном варианте реализации заявленной полезной модели опорный стержень может быть выполнен из стеклотекстолита на основе эпоксидной смолы, втулка - из хромо-никелевой стали аустенитного класса, а клей, которым втулка крепится, из той же эпоксидной смолы, что и текстолит, что приведет к дополнительному увеличению срока службы.
В частных воплощениях, в качестве полимера могут быть использованы стеклотекстолиты отечественных марок группы СТЭФ и зарубежные текстолиты марок G10 и G11, а в качестве металлических втулок - втулки, изготовленные из сталей AISI304, AISI306, AISI316 и AISI316L.
В качестве связующего эпоксидного клея в частном исполнении может быть использован эпоксидный клей 3М™ Scotch-Weld™ DP460 двухкомпонентный.
Испытания показали, что в заявленном ВТСП ТОУ опорный изолятор (4) с использованием втулки (10) может быть выполнен меньшей длины, чем в известном ВТСП ТОУ и использован для создания опорных изоляторов для токоограничивающего устройства на класс напряжения 110 кВ, что уменьшает механические нагрузки и уменьшает объем используемого для захолаживания и электрической прочности жидкого азота.
Пример осуществления полезной модели.
Опорные изоляторы (4) изготавливали из стеклотекстолита марки СТЭФ (ГОСТ 12652-74) в форме стержней с частично гофрированной поверхностью. Втулку (10) изготавливали из стали AISI306. В полую нижнюю часть (5) опорного изолятора (4) вклеивали при помощи эпоксидного клея марки 3М™ Scotch-Weld™ DP460 металлическую втулку (10) с плоским донышком (12). Опорные изоляторы (4) в количестве четырех штук попарно устанавливали с двух сторон от сборки (2) под углом 60 градусов, где верхняя часть изоляторов упиралась в фиксаторы (7) из нержавеющей стали, закрепленные на центральной опоре (6) сборки токоограничивающих модулей (2). Нижней частью опорные изоляторы опирались на фланцы (11) втулки (10) и через фланцы - на приваренную к внутренней поверхности криостата (1) планку (8) с выступом (9), который входит во втулку (10).
Выступ (9) был выполнен из нержавеющей стали AISI306 в форме усеченного конуса со сглаженной вершиной.
На фиг. 4 представлен расчет напряженности электрического поля для известного ВТСП ТОУ по патенту RU 194013, а на фиг. 5 - в соответствии с заявленной полезной моделью.
Как следует из приведенных данных, металлическая втулка (10) снижает напряженность электрического поля на поверхности изолятора в два раза - с 1,6 кВ/мм до 0,8 кВ/мм (Фиг. 2) для приложенного напряжения к ВТСП сборке 230 кВ, что является повышенным напряжением для класса высоковольтных устройств 110 кВ.