RU194013U1

RU194013U1 - CURRENT LIMITING DEVICE BASED ON HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTIVITY

Info

Publication number: RU194013U1
Application number: RU2019127988U
Authority: RU
Inventors: Кирилл Александрович Бабурин; Ленар Робертович Сабиров; Дмитрий Викторович Сотников; Анастасия Игоревна Тельнова
Original assignee: Закрытое акционерное общество "СуперОкс" (ЗАО "СуперОкс")
Priority date: 2019-09-05
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2019-11-25

Abstract

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. Высоковольтное токоограничивающее устройство на основе высокотемпературной сверхпроводимости, содержащее: 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. Полезная модель позволяет устранить рост напряженности электрического поля между сборкой токоограничивающих модулей и заземленными стенками криостата и увеличить электрическую прочность ВТСП ТОУ.The utility model relates to the field of electrical engineering, in particular to high-voltage equipment - high-temperature superconducting current-limiting devices (hereinafter HTSC TOU) operating in liquid nitrogen in networks of 35-750 kV. A high voltage current limiting device based on high temperature superconductivity, comprising: a horizontal cylindrical cryostat; a cryostat assembly of coaxially arranged superconducting current-limiting modules strung on a central support, where said assembly is mounted on at least two pairs of supporting insulators, the insulating part of which is made in the form of rods with a partially corrugated outer surface, while the insulators in each pair are one end fixed to the central support, and the other attached to the inner surface of the cryostat and the supply and output isolated current leads, where each current lead at one end with with the assembly of the connections of said modules, and the second end - with the electrical network. The utility model allows to eliminate the increase in electric field strength between the assembly of current-limiting modules and the grounded walls of the cryostat and to increase the electric strength of the HTSC TOU.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ.FIELD OF TECHNOLOGY.

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.The utility model relates to the field of electrical engineering, in particular, to high-voltage equipment - high-temperature superconducting current-limiting devices (hereinafter HTSC TOU) operating in liquid nitrogen in networks of 35-750 kV.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.BACKGROUND OF THE INVENTION

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.Utility Model Patent RU 183512 discloses a current-limiting device based on high-temperature superconductivity, which is a cylindrical cryostat installed in a cryostat assembly of superconducting current-limiting modules coaxially placed relative to the horizontal axis of the cryostat, wells located in the upper part of the cryostat and installed in and out of the wells insulated current leads, where each current lead is connected at one end to the assembly of the above-mentioned modules, and at the other end to electrical electric network.

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.This utility model provides stable operation of the HTSC TOU at voltages of 220 kV or more, and also allows to simplify the design of the HTSC TOU. The closest high-voltage reference insulator to the proposed disclosed in the patent for invention 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.In accordance with this patent, a current-limiting device based on high-temperature superconductivity is known, comprising a cylindrical cryostat configured to fill it with a cryogenic medium; an assembly of superconducting current-limiting modules connected to each other installed in a cryostat, where each module is made in the form of a coil of a wound high-temperature superconducting tape and a protective screen placed around the assembly coaxially to the axis of the aforementioned and leading and leading insulated current leads, where each current lead is connected at one end to the assembly of the aforementioned modules, and the second end - with the electrical network.

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.Both technical solutions cited above do not disclose how the assembly of modules is fixed inside the cryostat. This aspect is extremely important to achieve high performance.

Предшествующий опыт создания аналогичных ВТСП ТОУ, показывает, что сборка устанавливается либо непосредственно на днище криостата, либо подвешивается на общем стержне.Previous experience in creating similar HTSC TOUs shows that the assembly is installed either directly on the bottom of the cryostat, or suspended on a common rod.

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.However, such an installation can cause an increase in the electric field strength between the assembly of current-limiting modules and the grounded walls of the cryostat and, as a result, a decrease in the electric strength of the HTSC TOU, which may constitute a technical problem during the operation of the HTSC TOU.

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.The objective of the utility model is to eliminate the above technical problem, namely, to eliminate the increase in electric field strength between the assembly of current-limiting modules and the grounded walls of the cryostat and to increase the electric strength of the HTSC TOU.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ.DISCLOSURE OF THE ESSENCE OF A USEFUL MODEL.

Поставленная задача решается высоковольтным токоограничивающим устройством на основе высокотемпературной сверхпроводимости, содержащим: горизонтальный цилиндрический криостат;The problem is solved by a high-voltage current-limiting device based on high-temperature superconductivity, containing: a horizontal cylindrical cryostat;

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 иa cryostat assembly of coaxially arranged superconducting current-limiting modules strung on a central support, where said assembly is mounted on at least two pairs of supporting insulators, the insulating part of which is made in the form of rods with a partially corrugated outer surface, while the insulators in each pair are one end mounted on a central support, and the other attached to the inner surface of the cryostat and

подводящий и отводящий изолированные токовводы, где каждый токоввод одним концом соединен со сборкой упомянутых модулей, а вторым концом - с электрической сетью.supply and discharge isolated current leads, where each current lead is connected at one end to the assembly of the above-mentioned modules, and at the other end to an electrical network.

В частных воплощениях полезной модели изоляционная часть опорного изолятора выполнена из стеклотекстолита на основе эпоксидной смолы и стеклоткани.In private embodiments of the utility model, the insulating part of the supporting insulator is made of fiberglass based on epoxy resin and fiberglass.

В иных воплощениях полезной модели изоляторы в каждой паре размещены под углом 60° друг к другу.In other embodiments of the utility model, insulators in each pair are placed at an angle of 60 ° to each other.

Высоковольтное токоограничивающее устройство, в котором упомянутая центральная опора может быть выполнена в виде трубы из текстолита или двух параллельно расположенных труб.A high-voltage current-limiting device in which the said central support can be made in the form of a pipe made of textolite or two pipes located in parallel.

Высоковольтное токоограничивающее устройство, в котором модуль в сечении может иметь форму окружности.A high voltage current limiting device in which the module in cross section may be in the form of a circle.

Высоковольтное устройство, в котором модуль в сечении может иметь форму эллипса.A high-voltage device in which the module in cross section may be in the form of an ellipse.

Высоковольтное токоограничивающее устройство, в котором изолятор может быть снабжен фиксатором из нержавеющей стали, выполненным с возможностью его закрепления на центрирующем приспособлении.A high-voltage current-limiting device, in which the insulator can be equipped with a stainless steel clamp made with the possibility of fixing it on a centering device.

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.A high-voltage current-limiting device in which insulators can be attached to the inner surface of the cryostat using a strip configured to attach it to the surface by welding or soldering.

В этом случае электрод может быть выполнен с пазом, а планка выполнена с ответным выступом.In this case, the electrode can be made with a groove, and the bar is made with a reciprocal protrusion.

Высоковольтное токоограничивающее устройство, в котором модуль может быть снабжен защитным экраном.A high voltage current limiting device in which the module can be equipped with a protective shield.

Краткое описание чертежей.A brief description of the drawings.

На фиг. 1 приведена схема ВТСП ТОУ.In FIG. 1 shows the scheme of HTSC TOU.

На фиг. 2 приведена схема опорного изолятора.In FIG. 2 shows a diagram of a support insulator.

На фиг. 3 приведена зависимость напряженности электрического поля от длины опорного изолятораIn FIG. 3 shows the dependence of the electric field on the length of the supporting insulator

1. Криостат1. Cryostat

2. Токоограничивающий модуль2. Current limiting module

3. Токоввод3. Current lead

4. Опорный изолятор4. Support insulator

5. Подводящая шина5. Lead tire

6. Отводящая шина6. Retractable tire

7. Экраны7. Screens

8. Стержень8. The core

9. Гофрированная поверхность9. Corrugated surface

10. Центральная опора10. Central support

11. Фиксатор11. The latch

12. Выемка12. Mining

13. Крепежное отверстие13. Fixing hole

14. Планка14. Planck

15. Выступ15. The protrusion

16. Ответный паз16. Reciprocal groove

Сущность полезной модели состоит в следующем.The essence of the utility model is as follows.

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.The superconducting current-limiting device is a prefabricated structure of a grounded cryostat (1) (Fig. 1), an assembly of current-limiting modules (2) that are energized, as well as current leads (3) that supply current from the network to the current-limiting device. To transfer the current-limiting module to the superconducting state, the internal cavity of the cryostat is filled with liquid nitrogen, which has an electric strength comparable to that of transformer oil, and performs, in addition to cooling functions, the function of electrical insulation.

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.To ensure the correct operation of the current-limiting device, it is necessary to place the current-limiting module (2), which is energized, at a safe distance from the inner walls of the grounded cryostat (1), taking into account the dielectric strength of liquid nitrogen. The use of support insulators (4) in accordance with the present invention eliminates the above-described problem of electric strength by securing the assembly of current-limiting modules (2) in a predetermined location inside the cryostat and ensuring a safe distance between the current-limiting module and the device body.

Опорные изоляторы (4) используются для размещения сборки сверхпроводящих модулей (2) внутри криостата (1) сверхпроводящего ограничителя токов короткого замыкания.Support insulators (4) are used to place the assembly of superconducting modules (2) inside the cryostat (1) of the superconducting short-circuit current limiter.

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.The assembly of modules (2) of the superconducting current limiter is a set of series-connected current-limiting superconducting modules connected from the opposite sides of the supply (5) and discharge (6) bus. Modules (2) can be covered with protective shields (7), providing equalization of electric field strength.

В верхней части криостата герметично установлены два вышеупомянутых токоввода (3), которые соединяются с модулями через соединительные шины.In the upper part of the cryostat, two of the aforementioned current leads (3) are hermetically mounted, which are connected to the modules via connecting buses.

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.Modules (2) are a coil of compact arrangement of the wire and are made of at least one high-temperature superconducting wire. The sectional module can be in the form of a regular circle or an ellipse.

Изоляционная часть опорного изолятора (4) выполнена в форме стержней (8) (см. фиг. 2) с частично гофрированной внешней поверхностью стержня (9).The insulating part of the supporting insulator (4) is made in the form of rods (8) (see Fig. 2) with a partially corrugated outer surface of the rod (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.For the manufacture of supporting insulators, fiberglass based on epoxy resin and fiberglass is used. This material is resistant to work in an aggressive electrical insulating environment, such as liquid nitrogen, has high strength, including impact, is moisture resistant and non-combustible, and also has a small coefficient of thermal expansion, as a result of which it hardly deforms when the temperature changes from room (20 C) to the temperature of liquid nitrogen (-196 C) and does not crack. Supporting insulators made of this material can withstand significant loads, with a relatively low weight.

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:To ensure high values of discharge voltages Up while maintaining a compact size, as indicated, the supporting insulators are made with developed corrugated surfaces (skirts). An increase in the length of the skirt increases the mean free path Ly, on which the discharge voltage depends. This increases not only the total leakage length on the surface, but also the diameter of the insulator D, which reduces the value of the discharge voltage, according to the formula:

где Δ - толщина возможного слоя загрязнения с удельным объемным сопротивлением ρ, Iу - ток утечки по изолятору.where Δ is the thickness of a possible pollution layer with a specific volume resistance ρ, Iy is the leakage current through the insulator.

Опорные изоляторы (4), в количестве 4 штук, располагаются попарно с двух сторон от сборки сверхпроводящих модулей под углом друг к другу.Support insulators (4), in the amount of 4 pieces, are arranged in pairs on both sides of the assembly of superconducting modules at an angle to each other.

Целесообразно, чтобы угол в каждой паре составлял 60 градусов, что дает наиболее эргономичное размещение сборки модулей (2).It is advisable that the angle in each pair is 60 degrees, which gives the most ergonomic placement of the module assembly (2).

Для более массивных ВТСП ТОУ число опорных изоляторов (4) может быть увеличено.For more massive HTSC TOU, the number of supporting insulators (4) can be increased.

Опорные изоляторы (4) одним концом закрепляют на центральной опоре (10), а другим - прикрепляют к внутренней поверхности криостата (1).The supporting insulators (4) are fixed at one end to the central support (10), and at the other end they are attached to the inner surface of the cryostat (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.The central support (10) can be made in the form of a pipe made of PCB. Such a design is advantageous if the HTSC TOU module (2) has a circle section. If the HTSC module is elliptical in cross section, then the central support (10) can be made in the form of two pipes / rods installed in parallel, which will give the module assembly greater stability.

Опорный изолятор (2) может быть закреплен на опоре (10) с помощью фиксатора (11) (см. фиг. 2).The support insulator (2) can be fixed to the support (10) using the latch (11) (see Fig. 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).The latch (11) is made of stainless steel, the support insulator (2) is installed at one end in the recess (12), and the central support (10) in the form of one or two pipes installed in parallel is fixed in the mounting hole / holes (13).

С другой стороны опорный изолятор (2) прикрепляется к внутренней поверхности криостата (1).On the other hand, the support insulator (2) is attached to the inner surface of the cryostat (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).In the best embodiments of the utility model, an additional strip (14) is used to attach the insulator (2) to the cryostat (1), which is welded or soldered to the inside of the cryostat. A protrusion (15) is made in the bar, and a reciprocal groove (16) is in the insulator (4).

Такое крепление отличается простотой изготовления, хотя возможно и иное осуществление крепления, например, выступ может быть выполнен непосредственно на внутренней стенке криостата.Such a fastening is notable for simple manufacturing, although other fastening is possible, for example, a protrusion can be made directly on the inner wall of the cryostat.

Конструкция опорных изоляторов обладает высокой механической прочностью, обеспечивая надежность работы изолятора при сжатии, изгибе, сдвиге и других видах деформации, возникающих в процессе эксплуатации устройства.The design of the supporting insulators has high mechanical strength, ensuring the reliability of the insulator during compression, bending, shear and other types of deformation that occur during operation of the device.

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.In FIG. 3 shows the electric field strength on the surface of the supporting insulator at different distances. As can be seen, with the selected geometry of the reference insulator, the electric field becomes less than 2.5 kV / mm already at a distance of 150 mm from the surface of the cryostat, and decreases as it approaches the surface of the cryostat.

Claims

1. Высоковольтное токоограничивающее устройство на основе высокотемпературной сверхпроводимости, содержащее:1. A high voltage current limiting device based on high temperature superconductivity, comprising:

горизонтальный цилиндрический криостат;horizontal cylindrical cryostat;

2. Высоковольтное токоограничивающее устройство по п. 1, в котором изоляционная часть опорного изолятора выполнена из стеклотекстолита на основе эпоксидной смолы и стеклоткани.2. The high-voltage current-limiting device according to claim 1, in which the insulating part of the supporting insulator is made of fiberglass based on epoxy resin and fiberglass.

3. Высоковольтное токоограничивающее устройство по п. 1, в котором изоляторы в каждой паре размещены под углом 60° друг к другу.3. The high voltage current limiting device according to claim 1, in which the insulators in each pair are placed at an angle of 60 ° to each other.

4. Высоковольтное токоограничивающее устройство по п. 1, в котором упомянутая центральная опора выполнена в виде трубы из текстолита или двух параллельно расположенных труб.4. The high voltage current-limiting device according to claim 1, wherein said central support is made in the form of a pipe made of textolite or two pipes arranged in parallel.

5. Высоковольтное токоограничивающее устройство по п. 1, в котором модуль в сечении имеет форму окружности.5. The high voltage current limiting device according to claim 1, in which the module in cross section has the shape of a circle.

6. Высоковольтное устройство по п. 1, в котором модуль в сечении имеет форму эллипса.6. The high-voltage device according to claim 1, in which the module in cross section has the shape of an ellipse.

7. Высоковольтное токоограничивающее устройство по п. 1, в котором изолятор снабжен фиксатором из нержавеющей стали, выполненным с возможностью его закрепления на центрирующем приспособлении.7. The high-voltage current-limiting device according to claim 1, in which the insulator is equipped with a stainless steel latch, made with the possibility of fixing it on a centering device.

8. Высоковольтное токоограничивающее устройство по п. 1, в котором изоляторы прикреплены к внутренней поверхности криостата при помощи планки, выполненной с возможностью ее присоединения к упомянутой поверхности посредством сварки или пайки.8. The high-voltage current-limiting device according to claim 1, in which the insulators are attached to the inner surface of the cryostat using a strip made with the possibility of its attachment to the surface by welding or soldering.

9. Высоковольтное устройство по п. 8, в котором электрод выполнен с пазом, а планка выполнена с ответным выступом.9. The high-voltage device according to claim 8, in which the electrode is made with a groove, and the bar is made with a reciprocal protrusion.

10. Высоковольтное токоограничивающее устройство по п. 1, в котором модуль снабжен защитными экранами.10. The high voltage current limiting device according to claim 1, wherein the module is equipped with protective shields.