Высоковольтное криогенное устройство

Высоковольтное криогенное устройство

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ (и) 521610

Союз Советских

Социалистимеских

Республик (61) Дополнительное к авт. свнд-ву (22) Заявлено06.11.74 (21) 2073169/07 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано15.07.76.Бюллетень № 26 (45) Дата опубликования описания 26.10.76

Н 01В 17/26

Н 01 L 39/00

Гасударственный комитет

Совета Министров СССР ео делам иэооретений и открытий (53) УДК 621.315. .626 (088.8) (72) Авторы изобретения

Н. Г. Анищенко и В. Ф. Минеин

Объединенный институт ядерных исследований (71) Заявитель (54) ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ КРИОГЕННОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к области электротехники, в частности к высоковольтным испытательным установкам с жидким гелием, а также может быть использовано при конструировании сверхпроводящих кабелей и высоковольтных токовводов в крупные сверхпроводящие магнитные системы.

Известны высоковольтные устройства (например, электрические аппараты и трансфор- у маторы), содержащие маслонаполненные проходные изоляторы классической конструкции для ввода высокого напряжения внутрь металлических баков 11. Эти вводы состоят из токоведущего стержня, изоляционного ос- д това и заземленного фланца. Размеры осгова в радиальном направлении определяются величинами начальной и критической напряженностей электрического поля при рабочем и испытательном напряжениях. Аксиальные 2О размеры определяются из условия недопущения поверхностного перекрытия. По такому же классическому принципу выполняются и высоковольтные вводы в устройства с жид— ким гелием. 25

Известны высоковольтные криогенные устройства, содержащие ввод высокого напряжения в криостат с жидким гелием. Несмотря на значительные особенности жидкого и газообразного гелия как диэлектриков, конструкция высоковольтного ввода в известных криогенных устройствах аналогична конструкции проходных изоляторов для обычных условий и содержит токоведущий стержень, изоляционный остов и заземленное уплотняющее фланцевое соединение при проходе ввода через крь;шку криостата (2).

Материал изоляционного ввода прототипа— эпоксидный компаунд с двуокисью кремния в качестве наполнителя. Холодный конец ввода выполнен в виде трубки из нержавеющей стали, слегка перфорированной для облегчения теплообмена с гелиевой средой.

Особенностью ввода известного криогенного устройства является, с одной стороны, ro, что изоляционная поверхность со значительнои радиальной составляющей электрического поля холодного конца остова находится в среде холодного газообразного гелия, электрическая прочность которого

5216 10 существенно снижается с ростом температуры газа. Так, если электрическая прочность газообразного гелия в условиях однородного поля при 53С и нормальном давлении составляет 18 кВ/мм, то при 293оК она снижается до 0,8 кВ/мм. По поверхности диэлектрика прочность газообразного гелия erne ниже. С другой стороны, в конструкцию ввода прототипа сохранено то неблагоприятное расположение электродов 10 (стержень-фланец), которое, как и в проходных изоляторах обычного типа, приводит к неравномерному распределению радиальной и аксиальной напряженностей электрического поля, если не принято специальных мер. Наи-15 большая напряженность возникает у края заземленного фланца. Здесь она направлена в основном вдоль поверхности изоляционного остова и может быть, как известно, вы20 ражена сР- U гдеE о,д.= d — средняя радиальная напря- «5 жени ость, U — приложенное напряжение, Д вЂ” толщина диэлектрика изоляционного остова, — диэлектрические постоянные ма41 Л териала изоляционного остова и газообразного гелия, К вЂ” постоянный коэффициент, конструктивный параметр.

Сочетание двух указанных выше небла- З5 гоприятных обстоятельств м ожет приводить к появлению скользящих разрядов на поверхности остова у края заземленного фланца и перекрытию по поверхности. Напряжение перекрытия (U ) по поверхности проход- 40 атее ного изолятора обычной конструкции в газообразной и жидкой средах в нормальных ( условиях может быть выражено в функции длины перекрытия (1 ) где U „— напряжение появления скользящих разрядов, А — коэффициент, зависящий от среды, 50 материала и конструкпии изолятора, л — коэффициент, как правило, близкий к значению 0,5.

Таким образом, повышение напряжения перекрытия ввода в известной конструкции 55 требует увеличения длины открытой боковой поверхности изоляционного остова со стороны холодного конца, а следовательно, и ввода в целом. При этом вся область вокруг этой поверхности ввода не может быть за- 60 нята никакими заземленными элементами конструкции в объеме, по крайней мере, в виде сферы с диаметром, равным („. Это не всегда приемлемо для криостатов испытательных высоковольтных установок с жидким гелием и, как правило, всегда затруднительно в случае применения такой конструкции для высоковольтных токовводов в крупные сверхпроводящие магнитные системы, например индуктивные накопители энергии или caepxaposoasmae выключатели, электрические машины. Это связано с тем, что в области вокруг вводов обычно располагаются различные крепежные и технологические элементы конструкции криостата (подвесы, заливочные трубки и т.п.).

Ilemao изобретения является повышение надежности работы устройства, а также улучшение использования рабочего объема ванны с жидким гелием испытательных высоковольтных установок или криостатов крупных сверхпроводящих высоковольтных устройств. Для этого в предлагаемом высоковольтном криогенном устройстве часть ввода, расположенная внутри ванны с жидким гелием, снабжена цилиндрической проводящей оболочкой, электрически связанной с заземленным фланцем, внутренний диаметр которой равен внешнему диаметру изоляционного остова, длина оболочки превышает длину части изоляционного остова, расположенной внутри ванны с жидким гелием, а конец агой части остова расположен ниже уровня жидкого гелия.

На фиг. 1 изображена холодная часть ввода согласно изобретению; на фиг. 2 изображен вакуумный ввод высоковольтного криогенного устройства в соответствии с изобретением (ванна для жидкого гелия, называемая далее криостатом, не показана); на фиг. 3 показаны зависимости напряжений перекрытия в разных средах, полученные на различных моделях проходных изоляторов, в зависимости от длины боковой открытой поверхности остова из монолитного диэлектрика и его толщины.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения: 1 — токоведущий стержень, 2 — изоляционный остов, 3 — заземленная цилиндрическая проводящая оболочка (фланец), 4— уровень жидкого гелия, 5 — экранирующее кomao и 6 — отверстие для выхода газообразного гелия, скапливающегося у холодного торца изоляционного остова.

Оболочка 3 в случае монолитного эпоксидного изоляционного остова может быть выполнена из мелкой металлической сетки.

Это улучшает адгезию компаунда остова к металлу оболочки и облегчает условия совместной работы диэлектрика и металла, об521610 ладаюших разными термическими усадками, при большом перепаде температуры (от комнатной до гелиевой).

Высоковольтный вакуумный ввод в жидкий гелий (см. фиг. 2) состоит из токоведушего стержня 1; составного изоляционного остова 2 (2a и 26 — твердая изоляция, 2 Д вЂ” вакуум), цилиндрической заземленной оболочки 3 с удлиненной в сторону жидкого гелия стенкой из нержавеющей ста- 10 ли, оканчивающейся экраниру:ощим кольцом

5 и отверстиями 6 для прохода газообразного гелия и содержащей термокомпенсатор (сильфон) 7, и с отверстием 8 для откачки вакуумного пространства; вакуумного венти- 1 ля 8 и BBK MBoFQ уплотнения 10 из эпок сидного клея. Ввод укреплен и уплотнен на крышке 11 гелиевого криостата.

Описанная конструкция высоковольтного криогенного устройства основана на особых свойствах жидкого гелия как диэлектрика.

Так, полученные авторами данные (кривые

Л и Б на фиг. 3) на моделях проходных изоляторов в жидком гелии (4,2ЧС; 1 era) свидетельствует о том, что влияние 1 на

Уп Re подчиняется закону, представленнсыу урееиениеы (2). Опыпы прпеппиннсь на образцах из монолитного фторопласта-4, электроды (дюралюминиевые трубки) напрес30 совывались на заготовку из диэлектрика.

Образцы устанавливались в криостате как горизонтально, так и вертикально. НекотоРые образцы были изготовлены специально с Разными 1„: например, с одной стороны -= О, а с другой L = 10 мм. Напряжение 50 Гц г лавно (со скоростью подъема

1 кВ/су подавалось на внутренний электрод т до перекрытия образца. На каждом образце подряд проводилось до 25-ти перекрытий.

Всего испытано свыше 30-ти различных моделей.

Результаты испытаний показали, что напряжение Ч„е жидком гелии возрастает с увеличением тсипцины изолятора (д ) качественно так же, как и в обычных условиях и в жидком азоте, даже с учетом значительного разброса значений ()nap,полученных в разньх сериях испытаний в жи дком гелии, не увеличивалось с ростом 1» . В образцах с неодинаковыми по концам L перекрытие происходило в конце с большими..

С другой стороны, испытания указанных моделей в трансформаторном масле, воздухе,,р жидком азоте н газообразном гелии в прежних условиях э ;сперимента (кривые В, Г, Д, Е и Ж на фи .. 3) давали привычную зависимость У„„„= Тф, соответствующую уравнению Я 6О

Таким образом, в рассматриваемых моделях не только увеличение, но и наличие изоляционной поверхности со значительной радиальной составляющей напряженности электрического поля, омываемой жидким гелием, является нецелесообоазным, так как приводит к увеличению О„ер . Это необычное явление связано, видимо, с тем, чго в среде жидкого гелия Ц пер для вводов определяется только величиной U „, когорая определяется составляющей Е л,, зависящей согласно известному выражению(1) от толщины изоляционного остова d . Причиной этого можно, видимо, считать черезвычайно низкую теплоемкость жидкого гелия, с одной стороны, и высокую температуру в канале скользящего разряда, с другой. Продолжительность отдельных скользящих разрядов настолько мала, что позволяет считать адиабатическими условия нагрева жидкого (а затем и газообразного) гелия в области появления этих разрядов. Таким образом, канал скользящего разряда мгновенно заполняется теплым газообразным гелием, элекгрическая прочность среды вдоль канала резко снижается и скользящий разряд сразу перерастает в перекрытие по поверхности диэлектрика. При таком предположении легко допустить, что появление скользящих разрядов на краю заземленного электрода вполне достаточно для полного перекрытия данного изолятора по поверхности диэлектрика остова.

Следовательно, в конструкции вводов, снабженных цилиндрической проводящей оболочкой, электрически связанной с заземленным фланцем, длина которой равна длине изоляционного остова холодного конца ввода, аксиальная составляющая напряженности электрического поля воспринимается уже не поверхностью диэлектрика, а свободным жидким гелием. Более того, увеличение длины этой оболочки (отрицательные значения на кривых A и Б фиг. 3) в сторону холодного конца ввода свыше длины изоляционного остова повышает напряжение перекрытия. Видимо, получаемый своего рода "навес" экранирует торцевую часть поверхности изоляционного состава, повышая в этом месте однородность электрического поля.

Продление стенок цилиндрической проводящей оболочки под уровень жидкого гелия и увеличение ее аксиального размера в этом направлении свыше длины изоляционного остова ввода создают благоприятные условия для конструирования сверхпроводящих высоковольтных устройств, так как рабочий объем криостата вокруг заземленной оболочки может быть использован пол521610 иг. ностью без снижения номинального напряжения всего устройства. Кроме этого номинальное напряжение ввода предлагаемой конструкции может быть увеличено не менее чем на 50% по сравнению с обычной. Вариант вакуумного ввода в жидкий гелий с торцевой холодной частью, состоящей из дугостойкого диэлектрика, обладая высоким номинальным напряжением, решает и основную проблему криогенных высоковольтных вводов с монолитным диэлектриком — устранение разности в термических усадках (при большом температурном перепаде) диэлектрика остова и металла токоведущего стержня. 15 формула изобретения

1. Высоковольтное криогенное устройство, например испытательный криостат, содержащее ванну с жидким гелием и высоковольr- 2О ный электрический ввод в указанную ванну с токоведущим стержнем, из .,яционным остовом и заземленным фланцем, o r л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности, часть ввода, расположен- 25 ная внутри ванны с жидким гелием, снабжена цилиндрической проводящей оболочкой, электрически связанной с заземленным фланцем, внутренний диаметр которой равен внешнему диаметру изоляционного остова, длина оболочки превышает длину части изоляционного остова, расположенной внутри ванны с жидким гелием, а конец этой части остова расположен ниже уровня жидкого гелии.

2. Высцковольтное криогенное устройствопоп.1, отличающееся тем, что изоляционный ocroa ввода выполнен по длине из двух отдельных частей, разделенных вакуумным промежутком, а оболочка снабжена термокомпенсатором, например сильфоном.

3. Высоковольтное криогенное устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что металлическая оболочка перфорирована у края остова."

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Книга "Техника высоких напряжений, под ред. М. В. Костенко, М, 1973 г., crp. 418.

2. Журнал R GE 77, ¹ 6, 1968 г., стр. 605-609.

-М -10

Составитель В. Бондаренко

Редактор Т. Юрчикова ТехредО. Луговая Корректор Н. Ковалева

Заказ 4858/524 Тираж 976 Подписн ое

БНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4