УДЛИНЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ Российский патент 2011 года по МПК H01B17/32 

Область техники

Настоящее изобретение относится к удлиненному элементу, имеющему внешнюю рукавообразную жесткую изоляционную оболочку, окружающую проводник высокого напряжения, проходящий в продольном направлении оболочки, и промежуток внутри оболочки у внутренней стенки оболочки, по меньшей мере частично окружающий указанный проводник и заполненный средой материала с электроизоляционными свойствами.

Уровень техники

Изобретение направлено на любой элемент, в котором высокое напряжение должно быть экранировано от окружающей среды для предотвращения электрических пробоев на оборудование, корпуса или другие обычно заземляемые объекты.

Примером элемента является проходной изолятор, соединяющий трансформатор с сетью высокого напряжения, в котором важно экранировать высокое напряжение проводника, который требуется подключить к высоковольтной сети, в местоположении на существенном расстоянии от трансформатора, составляющем, например, 4 метра.

Кабельные концевые муфты и высоковольтные устройства являются другими примерами таких элементов.

Элемент такого типа должен выдерживать большие температурные изменения во времени. Эти температурные изменения могут быть обусловлены тем, что он полностью или по меньшей мере частично находится вне помещения, где температура, в зависимости от времени года, может меняться от -40°С до +40°С. Кроме того, нагрузка указанного проводника высокого напряжения может меняться, т.е. ток, текущий по нему, может меняться настолько сильно, что температура этого проводника, и тем самым температура частей указанного удлиненного элемента внутри указанной оболочки, может существенно изменяться Действительно, температура оболочки будет в основном определяться температурой среды, окружающей указанный элемент, в то время как температура его внутренних частей, кроме как от среды, будет зависеть также от величины тока, текущего по проводнику. Среда из материала с определенными электроизоляционными свойствами, которая должна заполнять указанный промежуток, будет изменять в объем с увеличением температуры, что означает, в случае, если среда полностью заключена в указанной оболочке, что внутри оболочки при увеличении температуры будет увеличиваться давление. Это давление может приводить к повреждению внешней изоляционной оболочки.

Существует два известных решения этой проблемы. Первое решение состоит в том, чтобы создать элемент с внешней изоляционной оболочкой, которая может выдерживать увеличивающееся давление, что сделать трудно и дорого. Второе решение состоит в том, чтобы выполнить элемент так, чтобы учесть увеличение давления, например, соединив указанный зазор, заполненный текучей средой, с расширительным сосудом, что является как сложным, так и дорогим решением. Кроме того, это решение содержит риск утечки указанной среды, что может представлять опасность возникновения пожара.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является создание элемента, определенного во введении типа, предлагающего другое решение проблемы температурных изменений указанного элемента и его частей.

В соответствии с изобретением данная цель достигается путем создания такого элемента, в котором указанная среда образована электроизоляционным материалом, содержащим полости, по меньшей мере частично заполненные газом, и в котором указанный материал способен расширяться при увеличении его температуры за счет обратимого сжатия указанных полостей и уменьшения их объема.

Это значит, что взамен возникновения высокого давления при повышении температуры указанной среды материал может расширяться во внутреннем направлении за счет сжатия указанных полостей, так что давление может быть уменьшено. Таким образом, изоляционная оболочка может быть защищена от разрушения без превышения ее размеров, и не требуется предусматривать какие-либо сложные и дорогие конструкции для защиты от повышения давления.

По одному из вариантов осуществления изобретения указанные полости образованы деформируемыми сферами, способными после деформации восстанавливать свою форму при уменьшении внешних сил сжатия со стороны указанного материала вследствие уменьшения температуры. Это дает выгодный способ получения указанных полостей обеспечивая упругие свойства указанной среды при изменениях температуры. Возможно даже, что указанные полости будут расширяться и увеличивать объем по отношению к состоянию при комнатной температуре, когда температура упадет ниже комнатной.

По другому варианту осуществления изобретения указанным материалом является поперечносшитый гель с внедренными в него микросферами Комбинация такого геля с микросферами дает возможность удобным образом выбирать соотношение между общим объемом указанных полостей и общим объемом указанного промежутка, отвечающее требованиям предполагаемого использования указанного элемента.

По другому варианту осуществления изобретения указанные микросферы имеют диаметр в диапазоне от 10 мкм до 100 мкм при отсутствии деформации. Оказалось, что именно такие размеры указанных полостей позволяют обеспечивать сохранение превосходных электроизоляционных свойств указанной среды.

По другому варианту осуществления изобретения указанные микросферы являются расширенными микросферами.

По другому варианту осуществления изобретения указанные микросферы заполнены смесью жидкости и газа, в которой обеспечено увеличение газовой части при увеличении температуры указанного материала и, тем самым, температуры микросфер. Благодаря увеличению газовой части при увеличении температуры сокращение объема указанных микросфер с ростом температуры облегчается.

По другому варианту осуществления изобретения указанные микросферы заполнены только газом.

По другому варианту осуществления изобретения общий объем указанных полостей при комнатной температуре составляет 10%-15%, предпочтительно 20%-40%, от общего объема указанной среды и, соответственно, указанного промежутка. Это означает, что указанный материал может значительно расширяться при сокращении объема указанных полостей без существенного увеличения давления на части элемента, определяющие указанный промежуток.

По другому варианту осуществления изобретения указанный промежуток заполнен указанной средой с обеспечением избыточного давления в промежутке, т.е. с обеспечением воздействия на внутренние стенки указанной оболочки, где давление P находится в диапазоне 0<P<2 бар при комнатной температуре Такое избыточное давление при комнатной температуре оказалось достаточным для обеспечения того, что весь промежуток будет полностью заполнен указанной средой и при более низких температурах указанного элемента.

По другому варианту осуществления изобретения указанный проводник представляет собой проводящую трубку, проходящую по существу через всю оболочку.

По еще одному варианту осуществления изобретения указанный промежуток отделяет внутренние стенки оболочки от активного сердечника элемента, содержащего указанный проводник. Поэтому указанный промежуток не должен занимать весь объем между проводником и внешней оболочкой. В одном из вариантов осуществления изобретения указанный элемент является проходным изолятором, предназначенным для ввода проводника высокого напряжения через стену, а указанный активный сердечник в этом случае содержит распределяющий электрическое поле конденсатор, окружающий указанный проводник, с тем чтобы электрическое поле было почти постоянным от проводника наружу по направлению к изоляционной оболочке. «Стену» здесь следует понимать в широком смысле, и стеной здесь может быть не только стена здания, но и корпус, такой как корпус трансформатора.

По другому варианту осуществления изобретения указанная оболочка представляет собой керамический рукав, предпочтительно снабженный внешними фланцами. Этот керамический рукав на своих концах может быть прикреплен к металлическим фланцам, например, из алюминия.

По другому варианту осуществления изобретения элемент выполнен с возможностью нахождения проводника под напряжением сети по меньшей мере 12 кВ, таком как 12 кВ - 800 кВ, в особенности 50 кВ - 800 кВ. Указанные диапазоны являются возможными диапазонами напряжений проводника в элементе, который является объектом настоящего изобретения.

По другому варианту осуществления изобретения указанный элемент выполнен с возможностью протекания через проводник указанного элемента тока, составляющего по меньшей мере 1 А, такого как 1 А - 100 кА, в особенности 500 А - 25 кА. Такие величины тока являются типичными для приложений, где оказывается полезным элемент такого типа, а изменения этих токов могут вызывать существенные изменения температуры указанной среды в промежутке.

По другому варианту осуществления изобретения элемент представляет собой проходной изолятор для установки на станции преобразования высокого напряжения с целью проводки проводника высокого напряжения через стену зала регуляторов тока вовне или из одного подобного зала в другой подобный зал. Элемент может также представлять собой проходной изолятор, выполненный с возможностью соединения с внешним корпусом любого устройства высокого напряжения, такой как проходной изолятор, выполненный с возможностью соединения с высоковольтным разъединителем, где необходимо изолировать проводник относительно заземленной поверхности, через которую он должен пройти.

По другому варианту осуществления изобретения элемент может представлять собой проходной изолятор трансформатора (трансформаторный ввод) или проходной изолятор генератора, или же он может представлять собой проходной изолятор для прохода через стену.

По другому варианту осуществления изобретения указанный элемент выполнен с возможностью установки на боковой поверхности проходного изолятора для проводки проводника высокого напряжения через стену с целью отвода напряжения от этого проходного изолятора. Температурные изменения указанной электроизоляционной среды такого элемента могли бы также представлять собой серьезную проблему, связанную с возникающим давлением, если бы указанный материал не был способен расширяться за счет сокращения объема указанных полостей.

По другому варианту осуществления изобретения указанный элемент выполнен в качестве концевой кабельной муфты с возможностью подключения кабеля высокого напряжения к одному концу элемента. Такие концевые кабельные муфты могут использоваться для подключения электрического кабеля, такого как кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена (РЕХ-кабель), к линии электропередачи сети высокого напряжения, трансформатору или распределительному устройству с газовой изоляцией, где указанный элемент может быть установлен на земле у конца кабеля.

Изобретение относится также к применению элемента по изобретению в качестве проходного изолятора для прохода через стену, проходного изолятора трансформатора или проходного изолятора генератора, или же в качестве концевой кабельной муфты или в качестве устройства высокого напряжения.

Дополнительные преимущества, а также выгодные признаки изобретения будут видны из следующего ниже описания его вариантов осуществления.

Краткое описание чертежей

Ниже приводится подробное описание вариантов осуществления изобретения, приводимых в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 показан проходной изолятор трансформатора (трансформаторный ввод) по первому варианту осуществления изобретения с частичным разрезом в продольном направлении.

На фиг.2 показан увеличенный вид части оболочки и внутренних частей проходного изолятора по фиг.1, а также двух увеличенных фрагментов, иллюстрирующих структуру среды электроизоляционного материала в указанном проходном изоляторе при двух различных температурах указанной среды.

На фиг.3 показан частичный разрез, иллюстрирующий элемент по второму варианту осуществления изобретения, расположенный на боковой поверхности проходного изолятора для проводки проводника высокого напряжения через стену с целью отвода напряжения от этого проходного изолятора.

На фиг.4 показан частичный разрез элемента по третьему варианту осуществления изобретения в виде концевой кабельной муфты.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показан удлиненный элемент по варианту осуществления изобретения в виде проходного изолятора трансформатора, имеющего внешнюю рукавообразную жесткую керамическую или полимерную изоляционную оболочку 1 «с внешними фланцами 2, причем оболочка может иметь длину порядка 1 дм - 10 м и крепится на концах к металлическим фланцам 3, 4, которые могут быть выполнены из алюминия. Проводник 5 высокого напряжения в виде трубки, такой как алюминиевая или медная трубка, проходит через всю оболочку 1 для подключения к трансформатору на одном, конце и к проводнику высокого напряжения сети высокого напряжения на другом конце (см. контактный штырь 6). Проводник 5 окружен распределяющими электрическое поле конденсаторами в виде нескольких слоев 9, например, в виде чередующихся слоев из бумаги и металла, намотанных друг на друга Данное число слоев и, соответственно, число конденсаторов уменьшается у конца 7, удаленного от подключения проходного изолятора к корпусу 8 трансформатора, а также у его конца, погруженного в масляную ванну 25 внутри корпуса трансформатора. Это значит, что электрическое поле будет практически постоянным, начиная от проводника 5 наружу по направлению к оболочке 1. Кроме того, конусообразная форма конденсаторного слоя 9 дает гладкое электрическое поле в осевом направлении внутри проходного изолятора. В радиальном направлении все поле будет сосредоточено в проходном изоляторе, где конденсаторный слой 9 толстый, в то время, как часть поля будет сосредоточена в проходном изоляторе, а часть - в воздухе у конца 7, удаленного от потенциала земли, и часть поля будет сосредоточена в конденсаторном слое, а часть - в масляной ванне на другом конце.

Кроме того, внутри оболочки 1 формируется промежуток 10 рядом с внутренней стенкой оболочки, и этот промежуток заполняется средой 11 из материала с электроизоляционными свойствами. Этот материал содержит расширенные полые микросферы, заполненные газом или смесью жидкости и газа, смешанные с силиконовым гелем или другим типом геля. После такого смешивания в силиконовом геле происходит межмолекулярное поперечное сшивание, что в результате обеспечивает сжимаемость геля, функции которого будут объяснены ниже со ссылкой на фиг.2. Общий объем полостей микросфер при комнатной температуре составляет 10%-15% от общего объема указанной среды и, соответственно, указанного промежутка.

Силиконовым гелем с содержащимися в нем микросферами заполняют промежуток с образованием в нем избыточного давления, т.е. воздействия на внутренние стенки 12 указанной оболочки, с давлением P с величиной в интервале 0<P<2 бар при комнатной температуре. В случае вертикальной ориентации проходного изолятора трансформатора, как на фиг.1, это означает, что избыточное давление будет меньше у верхнего конца 7, нежели чем у нижнего конца, из-за влияния силы тяжести.

Функция среды 11 в указанном промежутке 10 заключается в следующем. Температура этой среды может изменяться в результате изменения внешней температуры, если оболочка расположена вне помещения, или в результате изменений силы тока, текущего по проводнику 5. На фиг.2 показано, что происходит, когда температура указанной среды увеличивается, переходя из состояния среды А в состояние В. Соответственно, гель 13 будет расширяться, сжимая микросферы 14, и, тем самым, уменьшая их объем, удерживая при этом давление, возникающее внутри оболочки, на приемлемом уровне. Микросферы при этом обратимо сжимаются, что означает, что они расширятся и увеличатся в объеме, когда температура указанной среды снова понизится.

На фиг.3 показан элемент 15 по другому варианту осуществления изобретения, который также присутствует на фиг.1. Он предназначен для установки на боковой поверхности проходного изолятора для отвода напряжения от этого проходного изолятора Это достигается с помощью жилы 16, проходящей в слой 9 конденсаторов и подключенной к конденсатору с потенциалом, существенно отличающимся от потенциала земли, который будет являться потенциалом самого внешнего конденсаторного слоя, прилегающего к металлическому фланцу; 17. Таким образом, жила 16 должна быть электрически изолирована от фланца 17, и промежуток 10, окружающий эту жилу 16, заполнен средой 11 описанного выше типа. Таким образом, эта среда 11 при изменениях ее температуры будет вести себя так, как указано выше, защищая корпус 18 изолятора, окружающий жилу, от разрушения вследствие давления, возникающего внутри промежутка 10, заполненного указанной средой.

На фиг.4 показан элемент по третьему варианту осуществления изобретения в виде концевой кабельной муфты. Его части, соответствующие частям проходного изолятора на фиг.1, обозначены теми же ссылочными обозначениями. Концевая кабельная муфта имеет кабельный зажим 20 на одном своем конце, к которому подключен кабель 21 высокого напряжения, такой как кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена (РЕХ-кабель). Этот зажим 20 соединен с проводящей трубкой 5, проходящей внутри керамической оболочки 1 до другого ее конца для подключения к воздушной линии 22 сети высокого напряжения. Нижний конец концевой кабельной муфты, предпочтительно, прикрепляется к заземленной пластине 23 посредством алюминиевого фланца 24. Промежуток 10 между проводником 5 и оболочкой 1 заполняется средой 11 описанного выше со ссылкой на фиг.1 и 2 типа, что приводит к тому же самому поведению и тем же самым преимуществам, как указано выше.

Изобретение, разумеется, ни в коей мере не ограничивается описанными выше вариантами осуществления, и много возможностей для модификации изобретения будут очевидны для специалиста в этой области, без отхода от основной идеи изобретения, сформулированной в прилагаемой формуле изобретения.

Указанные полости могут иметь формы, отличные от сферической, и могут являться замкнутыми ячейками, формируемыми и ограничиваемыми материалом, образующим остальную часть указанной среды.

Изобретение относится к области электротехники. Удлиненный элемент имеет внешнюю рукавообразную жесткую изоляционную оболочку (1), окружающую проводник высокого напряжения, проходящий в продольном направлении оболочки, и промежуток (10) внутри оболочки у внутренней стенки оболочки, по меньшей мере, частично окружающий указанный проводник и заполненный средой (11) материала с электроизоляционными свойствами. Указанная среда образована электроизоляционным материалом, содержащим полости, по меньшей мере, частично заполненные газом, причем материал способен расширяться при увеличении его температуры за счет обратимого сжатия указанных полостей и уменьшения их объема. Полости образованы деформируемыми сферами, способными после деформации восстанавливать свою форму при уменьшении внешних сил сжатия со стороны изоляционного материала. Микросферы заполнены смесью жидкости и газа. Указанный материал представляет собой поперечносшитый гель. Проходной изолятор для трансформатора или генератора, концевая кабельная муфта и устройство высокого напряжения выполняют в виде указанного удлиненного элемента. Техническим результатом является предотвращение электрических пробоев на оборудование, корпуса или другие обычно заземляемые объекты. 5 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Удлиненный проводящий элемент, имеющий внешнюю рукавообразную жесткую изоляционную оболочку (1), окружающую проводник (5, 16) высокого напряжения, проходящий в продольном направлении оболочки, и промежуток (10) внутри оболочки у внутренней стенки оболочки, по меньшей мере, частично окружающий указанный проводник и заполненный средой (11) материала с электроизоляционными свойствами, при этом указанная среда образована электроизоляционным материалом (13), содержащим полости (14), по меньшей мере, частично заполненные газом, способным расширяться при увеличении его температуры за счет обратимого сжатия указанных полостей и уменьшения их объема, причем указанные полости образованы деформируемыми сферами (14), способными после деформации восстанавливать свою форму при уменьшении внешних сил сжатия со стороны указанного материала (13) вследствие уменьшения температуры, а указанный материал представляет собой поперечно-сшитый гель (13) с внедренными в него микросферами (14), заполненными смесью жидкости и газа, в которой обеспечено увеличение газовой части при увеличении температуры указанного материала и тем самым температуры микросфер.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что микросферы (14) имеют диаметр в диапазоне от 10 до 100 мкм при отсутствии деформации.

3. Элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что указанный гель (13) представляет собой силиконовый гель.

4. Элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что микросферы (14) являются расширенными микросферами.

5. Элемент по п.1, отличающийся тем, что общий объем указанных микросфер (14) при комнатной температуре составляет 10-50%, предпочтительно 20-40%, от общего объема указанной среды (11) и, соответственно, промежутка (10).

6. Элемент по п.1, отличающийся тем, что указанный промежуток заполнен средой с обеспечением избыточного давления в промежутке, именно, с обеспечением воздействия на внутренние стенки указанной оболочки при давлении в диапазоне от 0 бар до 2 бар при комнатной температуре.

7. Элемент по п.1, отличающийся тем, что проводник представляет собой проводящую трубку (5), проходящую, по существу, через всю оболочку (1).

8. Элемент по п.1, отличающийся тем, что промежуток (10) отделяет внутренние стенки оболочки (1) от активного сердечника элемента, содержащего проводник (5).

9. Элемент по п.1, отличающийся тем, что оболочка (1) представляет собой керамический или полимерный рукав, предпочтительно снабженный внешними фланцами (2).

10. Элемент по п.9, отличающийся тем, что керамический или полимерный рукав на своих концах прикреплен к металлическим фланцам (3, 4).

11. Элемент по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью нахождения проводника под напряжением сети, составляющем по меньшей мере 12 кВ, таким как 12 - 800 кВ, в особенности 50 - 800 кВ,

12. Элемент по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью протекания через проводник тока, составляющего по меньшей мере 1А, такого как 1А - 100 кА, в особенности 500 А - 25кА.

13. Элемент по п.1 или 8, отличающийся тем, что представляет собой проходной изолятор, выполненный с возможностью проводки проводника высокого напряжения через стену.

14. Элемент по п.13, отличающийся тем, что активный сердечник содержит распределяющие электрическое поле конденсаторы (9), окружающие проводник (5).

15. Элемент по п.13, отличающийся тем, что представляет собой проходной изолятор для установки на станции преобразования высокого напряжения с целью проводки проводника высокого напряжения через стену зала регуляторов тока вовне или из одного подобного зала в другой подобный зал.

16. Элемент по п.13, отличающийся тем, что представляет собой проходной изолятор, выполненный с возможностью соединения с наружным корпусом любого устройства высокого напряжения.

17. Элемент по п.16, отличающийся тем, что представляет собой проходной изолятор, выполненный с возможностью соединения с высоковольтным разъединителем.

18. Элемент по п.13, отличающийся тем, что представляет собой проходной изолятор трансформатора или проходной изолятор генератора.

19. Элемент по п.13, отличающийся тем, что представляет собой проходной изолятор для прохода через стену.

20. Элемент по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью установки на боковой поверхности проходного изолятора для проводки проводника высокого напряжения через стену с целью отвода напряжения от этого проходного изолятора.

21. Элемент по п.1, отличающийся тем, что выполнен в качестве концевой кабельной муфты с возможностью подключения кабеля высокого напряжения к одному концу элемента.

22. Проходной изолятор для прохода через стену, отличающийся тем, что он выполнен в виде удлиненного проводящего элемента, охарактеризованного в любом из пп.1-11.

23. Проходной изолятор трансформатора или генератора, отличающийся тем, что он выполнен в виде удлиненного проводящего элемента, охарактеризованного в любом из пп.1-11.

24. Концевая кабельная муфта, отличающаяся тем, что она выполнена в виде удлиненного проводящего элемента, охарактеризованного в любом из пп.1-11.

25. Устройство высокого напряжения, выполненное в виде удлиненного проводящего элемента, охарактеризованного в любом из пп.1-11.