СИСТЕМА ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ИЗОЛЯЦИИ Российский патент 2006 года по МПК H01B12/00 

Изобретение относится к высоковольтной изоляции. Оно касается системы высоковольтной электрической изоляции электрических проводников согласно ограничительной части п.1 формулы и способа ее изготовления согласно ограничительной части п.8 формулы.

Для применения в области энергоснабжения с системным напряжением до 550 кВ для электрических конструктивных элементов или компонентов, в виде электрических проводников, рассчитанных на целесообразное использование при рабочей температуре ниже комнатной температуры, требуется пригодная к низкой температуре система высоковольтной изоляции. Для этого часто используют комбинацию охлаждающей среды и твердого изолятора. Если предусмотренные рабочие температуры достаточно низкие, то химические процессы старения в качестве механизмов деструкции твердого изолятора практически отпадают. С другой стороны, из-за различия между температурами изготовления и применения в изоляционном материале возникают термически обусловленные напряжения, что при частом охлаждении и нагреве может привести к повреждениям, таким как трещины или расслаивания. В случае если электрические конструктивные элементы или компоненты находятся в непосредственном электрическом контакте с твердым изолятором, коэффициент теплового расширения изолятора не должен к тому же слишком сильно отличаться от коэффициента теплового расширения компонентов, в виде электрических проводников, во избежание напряжений в нем.

Особый интерес представляют электрические конструктивные элементы с компонентами, в виде электрических проводников, на основе высокотемпературных сверхпроводников, например кабели, трансформаторы, токоограничители и т.п. Для охлаждения высокотемпературных сверхпроводников до рабочих температур ниже 80К предпочтительно используют жидкий азот (LN2).

Применяемый твердый изолятор должен иметь в большинстве случаев также определенную механическую стабильность и иметь возможность действовать в качестве опоры или стабилизатора, например, для компонентов из керамического высокотемпературного сверхпроводящего материала, в виде электрических проводников. В этих обстоятельствах изоляция из полимерных пленок или крафт-бумаги не рассматривается. Механически нагружаемые компоненты изоляции изготавливают обычно из усиленных стекловолокном волокнистых композиционных материалов. Последние содержат полимерную матрицу из отверженной эпоксидной смолы и стеклянные или углеродные волокна из усиленного материала основы. Содержащие стекловолокно композиционные материалы имеют, однако, при 77К небольшую напряженность поля с частичными разрядами (partial discharge inception field) ≈1 кВ/мм, и даже при применении специальных методов пропитки под давлением в вакууме для заливки смолой достигается в лучшем случае ≈4 кВ/мм. Соответственно во избежание слишком высокой напряженности поля изоляция не должна быть меньше определенной минимальной толщины, что противоречит стремлениям в отношении компактных габаритов.

Для изоляции трансформаторов часто находят применение изготовленные из целлюлозы прессованные листы, распространенные, например, под названием "Transformerboard". Они имеют толщину от 0,5 мм до нескольких мм, а также в ламинированном и склеенном видах до 100 мм и более. В US 3710293 раскрыта система изоляции из слоев прессованных листов и крафт-бумаги, которая залита термопластичной смолой. В качестве альтернативы этому в маслоохлаждаемых трансформаторах в качестве барьеров между соседними слоями обмотки используют пропитанный маслом твердый изолятор из целлюлозной бумаги. Прежде всего их необходимо высушить нагревательно-вакуумным способом. Это должно предотвратить отдачу целлюлозным материалом воды маслу и ухудшение его диэлектрических свойств.

Задачей настоящего изобретения является создание системы высоковольтной изоляции электрических проводников для применения при температурах ниже комнатной температуры при высокой напряженности поля с частичными разрядами, а также разработка способа ее изготовления.

Эти задачи решаются посредством системы высоковольтной изоляции с признаками п.1 формулы и способа с признаками п.8 формулы.

Сущностью изобретения является применение электроизолирующего охлаждающего средства в сочетании с твердым изолятором в виде композиционного материала, включающего в себя пропитанные полимерной смолой целлюлозные волокна. Повышенная напряженность поля с частичными разрядами полимерного композита обеспечивает более компактные габариты системы высоковольтной изоляции и, тем самым, сокращение издержек.

Согласно первой предпочтительной форме выполнения в качестве охлаждающего средства применяют жидкий азот LN₂·LN₂ пригоден для охлаждения высокотемпературных сверхпроводников до рабочей температуры 77К и ниже. В интервале между комнатной и рабочей температурами средний коэффициент теплового расширения композита из целлюлозы и полимерной матрицы сопоставим со средним коэффициентом теплового расширения высокотемпературных сверхпроводников. Благодаря этому возникает возможность привести целлюлозный композит в непосредственный и прочный механический контакт без опасения возникновения повреждений, вызванных напряжениями при охлаждении или нагреве.

Для механической защиты высокотемпературной сверхпроводящей керамики твердым изолятором целлюлозу применяют предпочтительно в виде прессованных листов. Для достижения более высоких утолщений и повышенной механической стабильности можно ламинировать несколько тонких, деформируемых по отдельности листов. Промежуточный слой из подходящей ткани впитывает лишнюю полимерную смолу и предотвращает образование чисто смоляного слоя между прессованными листами.

Способ, согласно изобретению, для изготовления пригодной к низкой температуре системы высоковольтной изоляции отличается тем, что прессованные листы в сухом состоянии деформируют, а затем импрегнируют, т.е. пропитывают полимерной смолой. Поскольку при деформации прессованных листов их не увлажняют, отпадает и необходимая для последующей пропитки, обстоятельная сушка. За счет этого исключена также опасность нежелательного коробления деформированного прессованного листа при сушке.

Согласно другой форме выполнения, из прессованных листов формуют цилиндрический каркас катушки и наматывают на него сверхпроводящий провод. После этого каркас и обмотку заливают сообща полимерной смолой, в результате чего обмотка приклеивается к каркасу и механически фиксируется.

Предпочтительные формы выполнения приведены в зависимых пунктах формулы.

Изобретение более подробно поясняется ниже с помощью примеров выполнения в связи с чертежами, на которых изображено:

- фиг.1а: фрагмент системы высоковольтной изоляции, согласно изобретению;

- фиг.1b: разрез устройства с электроизолированным, согласно изобретению, проводником;

- фиг.2: катушка с каркасом в качестве части системы высоковольтной изоляции, согласно предпочтительной форме выполнения изобретения.

Использованные на чертежах ссылочные позиции приведены в перечне. В принципе, одинаковые детали обозначены одними и теми же ссылочными позициями.

На фиг.1а изображена система высоковольтной изоляции, согласно изобретению, вместе с имеющим высокий электрический потенциал проводником 1. Проводник 1 является частью конструктивного элемента, который для проявления его предусмотренного принципа действия необходимо охладить до рабочей температуры, лежащей ниже окружающей или комнатной температуры (20-25°С). Система высоковольтной изоляции включает в себя твердый изолятор 2 и текучее, т.е. жидкое или газообразное, охлаждающее средство 3. Твердый изолятор 2 состоит из ткани-основы 20 и полимерной матрицы 21. Матричными системами являются преимущественно трехмерно сшитые реактопласты, и они основаны, например, на отвержденных эпоксидных, кремнийорганических или полиэфирных смолах. Согласно изобретению, ткань-основа 20 включает в себя волокна из целлюлозы (обработанной целлюлозы).

На фиг.1b изображено устройство с проводником 1 в качестве составной части охлаждаемого электрического компонента, который через подводящие провода 4 соединен с питающей сетью (не показана). Проводник 1 окружен твердым изолятором 2, согласно изобретению, и погружен в охлаждающую жидкость 3. Последняя находится в термоизолирующей емкости 5.

В соответствии с уровнем техники в отношении достигаемых механических свойств применяют стеклянные волокна, которые пропитывают полимерной смолой. Причиной упомянутой выше "скромной" напряженности поля с частичными разрядами менее 4 кВ/мм у пропитанных стеклянных волокон заключается в необходимом покрытии стеклянных волокон, которое препятствует полному смачиванию волокон смолой. Из-за этого образуются микроскопически мелкие полости на волокнах, в которых возникают частичные разряды, что опять-таки приводит к ускоренному старению стекловолокнистой изоляции. В противоположность этому с помощью пропитанной полимерной смолой целлюлозы при температуре 77К достигается напряженность поля с частичными разрядами до 10 кВ/мм, поскольку целлюлозные волокна лучше пропитываются и не образуются полости.

Проводник 1 представляет собой, например, высокотемпературный сверхпроводник и в качестве такового часть используемого для передачи энергии конструктивного элемента (передающий кабель, трансформатор или токоограничитель). Изображенная на фиг.1 плоская геометрия проводника ни в коем случае не является обязательной, проводник 1 может быть также подходящим образом криволинейным или иметь форму проволоки, возможно во взаимодействии с нормально проводящей матрицей. Далее возможно использование подложек или нормально проводящих шунтирующих слоев. Критическая температура известных высокотемпературных сверхпроводящих материалов лежит выше 80К, так что жидкий азот LN₂ в качестве охлаждающего средства с температурой кипения 77К при нормальном давлении обеспечивает использование именно таких высокотемпературных сверхпроводников.

Коэффициент теплового расширения керамического сверхпроводника составляет обычно около 10·10^-6/К, а вдоль плоскости пропитанной полимерной смолой целлюлозной ткани - в пределах 6-13·10^-6/К. Коэффициенты теплового расширения отличаются, следовательно, настолько мало друг от друга, что при охлаждении до рабочей температуры целлюлозный композит и высокотемпературный сверхпроводник сжимаются в равной мере. Если оба были предварительно склеены при окружающей температуре, например посредством названной полимерной смолы, в механическую композицию, не возникает, таким образом, термомеханических напряжений.

Целлюлоза имеется, в том числе, прессованной в виде листов плотностью ≈1,2 г/см³. Также подобные листы могут быть пропитаны подходящими способами полимерными смолами низкой вязкости. Для этого листы должны быть предварительно хорошо высушены. Подобным образом залитые листы могут выполнять опорную функцию и благодаря аналогичным коэффициентам теплового расширения стабилизировать примыкающие к ним соседние сверхпроводники.

Отдельные листы небольшой толщины могут быть в определенной степени деформированы, причем это происходит обычно в увлажненном состоянии. Проблемой при этом является то, что в процессе последующей сушки деформированный лист снова изменяет свою геометрию, т.е. возникает определенная неустойчивость формы. При сухой деформации невозможен произвольно малый радиус кривизны, при толщине листа 1 мм достижим радиус кривизны, составляющий минимум 15 см. Деформированные или плоские отдельные листы могут быть объединены в ламинаты, а затем пропитаны.

Для этого предпочтительно предусмотреть между отдельными листами промежуточный слой, поскольку иначе между листами скопится лишняя смола в качестве тонкого, чисто смоляного слоя толщиной <50 мкм. При охлаждении это вызывает склонность к расслаиванию ламината. В качестве материала промежуточного слоя пригодна, например, ткань из хлопка, арамидных или полиэтиленовых волокон.

На фиг.2 схематично изображена сверхпроводящая катушка с имеющим полуцилиндрическую форму каркасом 6 из композита с двумя слоями 60, 61, формованными по отдельности в трубки и разделенные промежуточным слоем 62. На каркас 6 намотан сверхпроводящий провод. Внутреннее пространство каркаса 6 и окружающее катушку внешнее пространство заполнены охлаждающим средством (не показано). При изготовлении катушки предпочтительно осуществлять процесс пропитки, т.е. заливку катушки, лишь после намотки провода, поскольку за счет этого провод дополнительно фиксируется на каркасе 6.

Поскольку у высоковольтных компонентов, в виде электрических проводников, неизбежно возникает проблема усиления электрического поля на кромках, вводах и т.п., предпочтительно придать системе изоляции и, в частности, твердому изолятору определенные, управляющие полем свойства. Для этого к полимерной смоле добавляют в виде порошка материал с высокой диэлектрической постоянной, например сажу (carbon black), или предусматривают его в виде ткани как часть промежуточного слоя. Это придает композиту полупроводящие свойства. Также для геометрического управления полем как часть промежуточного слоя может применяться алюминиевая фольга.

Если требуется дополнительное механическое усиление, то могут применяться стеклянные волокна либо в полимерной матрице, либо в виде стекловолокнистого холста в промежуточном слое. Это, само собой, только там, где не возникает сильных электрических полей, и можно не опасаться частичных разрядов.

Настоящее изобретение относится к пригодной к низкой температуре системе высоковольтной изоляции, которая помимо охлаждающей жидкости (3) содержит твердый изолятор (2) на основе целлюлозной ткани-основы (20). Твердый изолятор (2) используют преимущественно в виде прессованных листов и пропитывают полимерной смолой. Он имеет при 77К высокую напряженность поля с частичными разрядами, к тому же его коэффициент теплового расширения оптимально согласован с коэффициентом теплового расширения керамических высокотемпературных сверхпроводников. Прессованные листы могут быть в сухом состоянии деформированы, в частности в каркасы катушек, и в качестве альтернативы составлены с хлопчатобумажными тканями в ламинаты произвольной толщины. В ткань-основу или промежуточному слою могут быть добавлены: углерод в виде волокон или тканей, стеклянные волокна в виде волокон или тканей. Способ изготовления системы высоковольтной изоляции электрических проводников включает деформирование ткани-основы в сухом состоянии, пропитывают полимерной смолой и погружают твердый изолятор в охлаждающее средство. Деформированный прессованный лист образует каркас катушки, на который наматывают, по меньшей мере, одну обмотку сверхпроводящего проводника, затем каркас и обмотку сообща пропитывают. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система высоковольтной изоляции электрических проводников, содержащая твердый изолятор (2) с отвержденной полимерной матрицей (21) и тканью-основой (20), включающей в себя целлюлозу, отличающаяся тем, что содержит охлаждающее средство (3), причем твердый изолятор (2) погружен в охлаждающее средство (3).2. Система по п.1, отличающаяся тем, что охлаждающее средство (3) содержит жидкий азот, а электрические проводники содержат высокотемпературный сверхпроводящий материал.3. Система по п.1, отличающаяся тем, что для механической стабилизации электрических проводников ткань-основа (20) выполнена в виде прессованных листов.4. Система по п.3, отличающаяся тем, что ткань-основа содержит ламинат (6), по меньшей мере, с двумя слоями (60,61) из прессованных листов, отделенными друг от друга, по меньшей мере, одним промежуточным слоем (62).5. Система по п.4, отличающаяся тем, что промежуточный слой (62) содержит ткань из хлопка, арамидных или полиэтиленовых волокон.6. Система по п.1 или 4, отличающаяся тем, что к ткани-основе (20) или промежуточному слою (62) добавлен углерод в виде волокон или тканей.7. Система по п.1 или 4, отличающаяся тем, что для механического усиления к ткани-основе (20) или промежуточному слою (62) добавлены стеклянные волокна в виде волокон или тканей.8. Способ изготовления системы высоковольтной изоляции электрических проводников, содержащей твердый изолятор (2) с отвержденной полимерной матрицей (21) и тканью-основой (20), включающей в себя целлюлозу, отличающийся тем, что ткань-основу (20) в виде прессованного листа деформируют в сухом состоянии, а затем пропитывают полимерной смолой и погружают твердый изолятор (2) в охлаждающее средство (3).9. Способ по п.8, отличающийся тем, что прессованный лист имеет толщину d и минимальный радиус R кривизны, при этом отношение R/d составляет менее 150.10. Способ по п.8, отличающийся тем, что деформированный прессованный лист образует каркас (6) катушки, на который наматывают, по меньшей мере, одну обмотку (1') сверхпроводящего проводника, а затем каркас (6) и обмотку (1') сообща пропитывают.