Высоковольтное криогенное устройство

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДВТЕЛЬСТВ(11) 521610 Союз Советских Социалистицеских Республик(45) Дата опубликования описания 26.10.76 3) К 621.315. 26(088.8) Авторыизобретени Н, Г. Анищенко Ф. Мине(71) Заявитель ъединенныи институт ядерных исследований(54) ВЫСОКОВОЛЬТН РИОГЕННОЕ УСТРОЙСТВ Изобретение о тся к области эле Известны высоковольтные криогенные устройства, содержащие ввод высокого напряжения в криостат с жидким гелием. Несмотря на значительные особенности жидкоотехники, в частности к высоковольтным пытательным установкам с жидким гелием, а также может быть использовано приконструировании сверхпроводящих кабелейвысоковольтных токовводов в крупные сверпроводящие магнитные системы. го и газообразногоконструкция высоковвестных криогенных гелия как диэлектриковольтного ввода в изустройствах аналогичнаых изоляторов для обычжит токоведущий стеростов и заземленное онструкции проходн ых условий и содер жень, изоляционный плотняющее фланцев оде ввода через кр Материал изоляционн поксидный компаунд звестны высоковольтные устройства на пример, элекматоры), соходные изо еск е аппараты и трансформаслонаполненные проссической конструкции ое соединение при про;шку криостата ) 2). ого ввода прототипа - с двуокисью кремния ля. Холодный конец для в пряжения внутрь м аллическихз токоведущ ти вводы состоят онного осеры остоня, изол ланца. Р ачестве наполните това и за ленного ввода вып щей стали ен в виде тр егка перфори ва в радиальном направвеличинами начальной ении определяют ова иче легче н плообмена тью ввод лие енностеи электрическ испытательном напря змеры определяются собеннос ст ойго полжениях. извест ногор то, что изоляц чительнои р а является, с од ионная поверхнос альной составляю из условиекрытия.ципу вылов устройс ния поверхностного п же классическому при По такомулняются ива с жид -рическогоаходится в ля холодного конца остовареде холодного газообразного ысоков ые вводы лия, электрическая прочность котор Гасударственный комитет Совета Министров СССР ео делам иэооретений и открытийдержащиеляторы кл сокого н баков 1 его стер скои напряпри рабочем Аксиальные 2я недопущеиз нержавеюной для обой средой,ого криогенной стороны,ть со знащей элек 521610существенно снижается с ростом температуры газа. Так, если электрическая прочность газообразного гелия в условиях однородного поля при БоК и нормальном давлении составляет 18 кВ/мм, то при 293 оК она снижается до 0,8 кВ/мм. По поверхности диэлектрика прочность газообразного гелия еще 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, вы 20 ражеваЕ, Е;ЕтЪ 6 ЕЯ . ОсР. ОгдеЕРо,д.=- средняя радиальная напряжени ость,О - приложенное напряжение,Д - толщина диэлектрика изоляционногоостова,- диэлектрические постоянные маЛтеривла изоляционного остова и газообразного гелия,К - постоянный коэффициент, конструктивный параметр.Сочетание двух указанных выше небла- З 5гоприятвых обстоятельств может приводитьк появлению скользящих разрядов на поверхности остова у края заземленного фланцаи перекрытию по поверхности. Напряжениеперекрытия (О ) по поверхности проходпееного изолятора обычной конструкции в газообразной и жидкой средах в нормальныхусловиях может быть выражено в функциидлины перекрытия ( 1- )пер ск фГПгде 0 - напряжение появления скользяскщих разрядов,Ь - коэффициент, зависящий от среды, Яматериала и конструкпии изолятора,Т 1 - коэффициент, как правило, близкийк значению 0,5.Таким образом, повышение напряженияперекрытия ввода в известной конструкции Итребует увеличения длины открытой боковойповерхности изоляционного остова со стороны холодного конца, а следовательно, иввода в целом. При этом вся область вокругэтой поверхности ввода не может быть за нята никакими заземленными элементами конструкции в объеме, по крайней мере, в виде сферы с диаметром, равным е . 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 сверхпроводящие выключатели, электрические машины. Это связано с тем, что в области вокруг вводов обычно располагаются различные крепежные и технологические элементы конструкции криостата (подвесы, заливочвые трубки и т,п.).Целью 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, расцоложенная 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 гелия.На фиг. 1 изображена холодная часть ввода согласно изобретению; ва фиг. 2 изображен вакуумный ввод высоковольтного криогенного устройства в соответствии с изобретением (вавна 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 (флавец), 4 - уровень жидкого гелия, 5 - экранирующее кольцо 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, обладающих разными термическими усадками, при большом перепаде температуры (от комнатной до гелиевой).Высоковольтный вакуумный ввод в жидкий гелий (см. фиг. 2) состоит из токове дущего стержня 1; составного изоляционного остова 2 (2 а. и 2 О - твердая изоляция, 2 Д - вакуум), цилиндрической заземленной оболочки 3 с удлиненной в сторону жидкого гелия стенкой из нержавеющей ста 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-ля 8 и вакуумного 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, полученнь 1 е авторами данные (кривые Л и Б на фиг. 3) на моделях проходных изоляторов в жидком гелии (4 у 2 Ч(; 1 ата) свидетельствует о том, что влияние 1 на25 Опв Ке подчиняется закону, представленнсыу урееиениеы 2. Опыпы прпеппиннсь на образцах из монолитного фторопласта, электроды (дюралюминиевые трубки) напрес 30 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 1-= О, а с другой 1 = 10 мм, Напряжение 50 Гц плавно (со скоростью подъема 1 КВ/су подавалось на внутренний электрод)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 в жидком гелии возрастает с увеличением толщины изолятора ( д ) качественно так же, как и в обычных условиях и в жидком азоте, даже с учетом значительного разброса значений ц пер, полученных в разньи сериях испытаний в жидком гелии, Ц, не увеличивалось с ростом 1 . В образцах с неодинаковыми по концам 1. перекрытие происходило в конце с большими,. С другой стороны, испытания указанных моделей в трансформаторном масле, воздухе, жидком азоте н газообразном гелии в преж- НИХ УСЛОВИДХ Э 1;СПЕРИМЕНта (КРИВЫЕ В, Гн йн Е и Ж на фи. 3) давали привычную зависимость ц = фф, соответствующую уравнению Я6 О Таким образом, в рассматриваемых моделях не только увеличение, но и наличие изоляционной поверхности со значительной радиальной составляющей напряженности электрического поля, омываемой жидким гелием, является нецелесообразным, так как приводит к увеличению Опер . Это необычное явление связано, видимо, с тем, что в среде жидкого гелия Ц пвр для вводов определяется только величиной 0 , которая определяется составляющей Евл зависящей согласно известному выражению 1 от толщины изоляционного остова д . Причиной этого можно, видимо, считать чрезвычайно низкую теплоемкость жидкого гелия, с одной стороны, и высокую температуру в канале скользящего разряда, с другой. Продолжительность отдельных скользящих разрядов настолько мала, что позволяет счигать 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 А 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 5 ностью без снижения номинального напряжения всего устройства. Кроме этого номинальное напряжение ввода предлагаемойконструкции может быть увеличено не менеечем на 50% по сравнению с обычной. Ва- криант вакуумного ввода в жидкий гелийс торцевой холодной частью, состоящей издугостойкого диэлектрика, обладая высокимноминальным напряжением, решает и основную проблему криогенных высоковольтных 19вводов с монолитным диэлектриком - устранение разности в термических усадках (прибольшом температурном перепаде) диэлектрика остова и металла токоведущего стержня. 15 формула изобретения 1, Высоковольтное криогенное устройство, например испытательный криостат, содержащее ванну с жидким гелием и высоковольт ный электрический ввод в указанную ванну с токоведущим стержнем, из .,яционным остовом и заземленным фланцем, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности, часть ввода, расположен 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. Высвковольтное криогенное устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что изоляционный остов 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., стр. 418.2. Журнал В ЙЯ 77, % 6, 1968 г стр. 605-609.521610 М -7 д Ред П з 4858/524 ЦНИИПИ Госу Тираж 976 дарственного комитет по делам изобретений , Москва, Ж, Рау исноестров ССС Совета Мин и открытийшская наб., д 1130 5 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Составитель В. БондаренкоТ. Юрчикова ТехредО. Луговая Корректор Н. Ковалев