ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВВОД С АРМИРОВАННЫМ ПРОВОДНИКОМ Российский патент 2015 года по МПК H01B17/42 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области высоковольтной техники, в частности к высоковольтным устройствам, таким как вводы, которые обеспечивают электрическую изоляцию проводника.

Уровень техники

Высоковольтные вводы используются для проведения тока при высоком потенциале через экран, часто называемый термином «заземленный экран», который имеет другой потенциал по отношению к контуру тока. Вводы предназначены для электрической изоляции высоковольтного проводника, расположенного внутри ввода, от заземленного экрана. Заземленный экран может представлять собой, например, бак трансформатора или стенку, такую как, например, стенка корпуса клапана постоянного тока высокого напряжения (HVDC).

В заполненном газом вводе со свободно висящим проводником, например стенном вводе, максимальная деформация проводника во вводе влияет на внутренний диаметр ввода, что влияет на внешний диаметр ввода. Для предотвращения пробоя изоляции, чем выше максимальная деформация, тем больше должен быть внутренний диаметр ввода. Внутри ввода расположены различные управляющие полем экраны, чтобы управлять электрическими полями. Управляющие полем экраны не будут выполнять заданную функцию, если проводник не расположен в центре или близко к центру ввода. Таким образом, существует необходимость уменьшения деформации проводника в очень длинных вводах.

Статическая деформация проводника возникает за счет силы тяжести и массы самого проводника. Проводник во вводе имеет форму трубки, закрепленной с обоих концов. Деформацию горизонтально расположенной трубки определяют характеристики материала трубчатого проводника (модуль упругости и плотность) - длина, толщина стенки и диаметр трубки. Размеры проводника определяют проводимый им ток, т.е. для заданной силы тока и сопротивления требуется определенная площадь поперечного сечения проводника. Для проводника, имеющего данный внешний диаметр, толщину стенки будет определять площадь поперечного сечения трубки.

Длину определяет длина ввода, которую определяют внешние электрические условия, например напряжение и расстояние пробоя. Для большой силы тока в качестве проводника можно использовать, в принципе, только медь, алюминий или их сплавы. Это определяет выбор материала, который затем определяет максимальную жесткость материала. Совокупность всех параметров определяют электрические условия, а также максимальная статическая деформация трубки.

В условиях увеличения напряжения и распределения очень высокой мощности современное оборудование должно иметь очень длинный ввод, длина которого составляет 20 м или даже больше.

Динамическую деформацию проводника создают сейсмические силы, т.е. землетрясения или другие типы вибраций. Для динамических деформаций важны резонансные частоты проводника. В неблагоприятных обстоятельствах динамическая деформация может значительно превышать статическую деформацию и способна приводить к катастрофическим авариям.

Краткое изложение сущности изобретения

Разнообразные аспекты настоящего изобретения изложены в сопровождающей формуле изобретения.

Один вариант осуществления настоящего изобретения предлагает высоковольтный ввод, содержащий полый изолятор, проводник, проходящий через полый изолятор и включающий в себя полый проводник, закрепленный на концах полого изолятора.

Проводник содержит поддерживающую часть, расположенную внутри полого проводника, причем поддерживающая часть проходит в продольном направлении полого проводника, и поддерживающая часть выполнена с возможностью поддерживать полый проводник, чтобы увеличивать жесткость проводника и тем самым уменьшать статическую деформацию проводника в полом изоляторе. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, угол между продольным направлением проводника во вводе и горизонтальным направлением составляет менее чем 40°. Настоящее изобретение особенно хорошо приспособлено для вводов, в которых угол между продольным направлением проводника во вводе и горизонтальным направлением составляет менее чем 20°. Эффект гравитационной деформации проводника увеличивается при уменьшении угла между продольным направлением проводника во вводе и горизонтальным направлением.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, предложен высоковольтный ввод, в котором повышенная жесткость полого проводника с поддерживающей частью делает статическую деформацию полого проводника с поддерживающей частью меньшей, чем статическая деформация одного полого проводника, даже если поддерживающая часть увеличивает вес проводника.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, поддерживающая часть находится в контакте, по меньшей мере, с частью внутренней поверхности полого проводника.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, поддерживающая часть предназначена для изменения резонансной частоты проводника, что демпфирует колебания во время землетрясения.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, поддерживающая часть содержит армированный волокном полимер. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, поддерживающая часть содержит армированный углеродным волокном полимер.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, поддерживающая часть содержит армированный углеродным волокном эпоксидный полимер.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, поддерживающая часть содержит армированный углеродным волокном сложный полиэфир.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, поддерживающая часть имеет трубчатую форму.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, толщина стенки поддерживающей части является постоянной в продольном направлении проводника. Поддерживающая часть может проходить по всему продольному направлению проводника или только по части продольного направления проводника.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, толщина стенки поддерживающей части изменяется в продольном направлении проводника, причем поддерживающая часть может проходить по всему продольному направлению проводника или только по части продольного направления проводника.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, поддерживающая часть проходит по всему продольному направлению проводника, и толщина стенки поддерживающей части превышает среднюю толщину стенки поддерживающей части на концах и в центре продольного направления проводника, и тем самым поддерживающая часть придает проводнику более высокую жесткость в тех местах, где проводник подвергается высокой нагрузке.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, поддерживающая часть содержит две или более частей, причем каждая часть расположена в том месте, где проводник подвергается высокой нагрузке.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, поддерживающая часть содержит три части, причем одна часть расположена в центральной части в продольном направлении проводника, и две части расположены у соответствующих концов проводника и проходят внутри полого проводника по направлению к середине.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, поддерживающая часть содержит две части, причем каждая часть расположена у конца проводника и проходит внутри полого изолятора по направлению к середине.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, высоковольтный ввод представляет собой ввод с газовой изоляцией.

Хотя разнообразные аспекты настоящего изобретения определены в сопровождающей формуле изобретения, другие аспекты настоящего изобретения включают сочетания любых отличительных признаков, представленных в описанных вариантах осуществления и/или в сопровождающей формуле изобретения, а не только сочетания, которые определенно описаны в сопровождающей формуле изобретения.

Краткое описание чертежей

Чертежи составляют часть настоящего описания и включают в себя примерные варианты осуществления настоящего изобретения, которое можно осуществлять в разнообразных формах.

Фиг.1 представляет ввод с газовой изоляцией, в котором можно использовать настоящее изобретение.

Фиг.2 представляет полый проводник с поддерживающей частью согласно настоящему изобретению.

Фиг.3 представляет различные формы поперечного сечения поддерживающей части.

Фиг.4 представляет влияние деформации относительно продольной осевой линии во время статической нагрузки для различных внешних диаметров трубчатого проводника.

Фиг.5 представляет влияние деформации относительно продольной осевой линии во время статической нагрузки при наличии или отсутствии поддерживающей части.

Фиг.6a-d представляют различные положения поддерживающей части в продольном направлении трубчатого проводника.

Фиг.7 представляет контур полого проводника с поддерживающей частью согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

Описание предпочтительных вариантов воплощения

Фиг.1 представляет ввод с газовой изоляцией 18, в котором можно использовать настоящее изобретение. Ввод образует сварной алюминиевый промежуточный фланец 14 (стенной фланец), оборудованный двумя изоляторами 12, по одному для каждой стороны стены. Градиент электрического поля создают внутренние конические алюминиевые экраны 15. Полый проводник 11 проходит через полый изолятор 12 и находится на концах 16 полого изолятора без промежуточной опоры. Изоляторы 12 представляют собой армированные стекловолокном эпоксидные трубки, покрытые кремнийорганическим полимером, защищающим от атмосферного воздействия. Трубки представляют собой цельные изделия, которые снабжены приклеенными литыми алюминиевыми фланцами с обоих концов. Данная конструкция образует жесткий ввод с превосходными механическими свойствами. Ввод может заполнять изолирующий газ, например гексафторид серы SF₆. Изолирующий газ может находиться при атмосферном давлении или при более высоком давлении.

Фиг.2 представляет полый проводник 1 с поддерживающей частью 2 согласно настоящему изобретению. Проводник может представлять собой алюминий, медь или их сплавы, которые известны в технике. Поддерживающая часть 2 может быть изготовлена из армированного волокном полимера.

Поддерживающая часть 2, представленная на фиг.2, имеет поперечное сечение в форме круга, т.е. поддерживающая часть 2 является трубчатой. Поддерживающая часть 2 выполнена с возможностью принимать изгибающие моменты в трубчатом проводнике 11, делая сочетание проводника 11 и поддерживающей части 2 более жестким, чем один проводник. В варианте осуществления настоящего изобретения поддерживающая часть 2 не прикрепляется на концах 16 полого изолятора; таким образом, поддерживающая часть 2 не может принимать какое-либо тяговое усилие или натяжение в продольном направлении при деформации проводника в горизонтальном направлении.

Фиг.3 представляет различные формы поперечного сечения поддерживающей части 2. Возможна любая форма, которая обеспечивает поддержание для проводника 1, но существует ограничение веса поддерживающей части 2, и имеющая трубчатую форму (слева) поддерживающая часть 2 является предпочтительной, поскольку она придает системе, включающей в себя проводник и поддерживающую часть, максимальную жесткость для данного веса поддерживающей части.

Фиг.4 представляет влияние деформации относительно продольной осевой линии 30 во время статической нагрузки для различных внешних диаметров трубчатого проводника 1. Размеры проводника 1 приспособлены для проведения тока, т.е. для данных значений силы тока и сопротивления, которые определяют площадь поперечного сечения проводника. Для проводника, имеющего заданный внешний диаметр, толщину стенки трубки будет определять площадь поперечного сечения. Меньший внешний диаметр (левый) требуется для толстых стенок, и больший внешний диаметр (правый) требуется для стенок меньшей толщины.

Штрихпунктирная линия 30 представляет собой продольную осевую линию проводника во вводе и расположение проводника при отсутствии статической деформации, вызываемой силой тяжести и массой проводника. Статическая деформация различается в зависимости от диаметра проводника. Слева на фиг.4 представлен проводник с малым внешним диаметром, который имеет большую деформацию. Справа на фиг.4 представлен проводник с большим внешним диаметром, имеющим меньшую деформацию относительно продольной осевой линии, но большой внешний диаметр влияет на расстояние между внешней поверхностью проводника и внутренней стенкой полого изолятора или внутренним экраном. Центральное изображение на фиг.4 представляет «оптимальное» соотношение диаметра и толщины стенки по сравнению с левым изображением и правым изображением на фиг.4. Оно является «оптимальным» в том смысле, что сводит до минимума расстояние между внешней поверхностью проводника и внутренней стенкой полого изолятора во время статической нагрузки. Диаметр проводника является достаточно большим, чтобы создавать меньшую статическую деформацию, чем левый проводник на фиг.4, но диаметр проводника не является настолько большим, чтобы влиять на расстояние между внешней поверхностью проводника и внутренней стенкой полого изолятора.

Фиг.5 представляет влияние деформации относительно продольной осевой линии во время статической нагрузки при наличии или отсутствии поддерживающей части 2. Конфигурация с поддерживающей частью (справа) увеличивает жесткость и, таким образом, уменьшает деформацию проводника относительно продольной осевой линии 30.

В зависимости от размера и материалов поддерживающей части, уменьшение статической деформации может составлять 50% или более. Фиг.6a-6d представляют различные положения поддерживающей части 2 в продольном направлении трубчатого проводника 1 в полом изоляторе 12. Изгибающие моменты на трубчатом проводнике в продольном направлении будут максимальными на концах 10 и 17, где проводник прикрепляется к концам полого изолятора и в центре проводника. На фиг.6a поддерживающая часть 2 расположена вдоль всего трубчатого проводника 1. Может существовать требование сохранения на минимально возможном уровне дополнительного веса, создаваемого поддерживающей частью. Таким образом, поддерживающая часть может быть короче, чем полная длина проводника, и располагаться около середины трубчатого проводника (фиг.6b). Еще одно решение заключается в том, чтобы изготавливать два опорных элемента, которые расположены по одному на каждом из концов проводника (фиг.6c), где существуют большие изгибающие моменты. Следующее решение заключается в том, чтобы изготавливать три опорных элемента (фиг.6d), причем один элемент расположен около середины, и два элемента расположены по одному на каждом из концов проводника. В данной конфигурации опорные элементы располагаются в тех местах, где материал испытывает максимальную нагрузку. Суммарная длина опорных элементов 2 меньше, чем полная длина проводника.

Фиг.7 представляет контур полого проводника 1 с поддерживающей частью 2 согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Штрихпунктирная линия 30 представляет собой продольную осевую линию проводника. Поддерживающая часть может иметь трубчатую форму, но его толщина и жесткость может изменяться в продольном направлении.

Предпочтительно поддерживающая часть имеет увеличенную толщину стенки и повышенную жесткость в середине и/или у каждого конца проводника.

Поддерживающая часть в трубчатом проводнике предоставляет преимущество уменьшения статической деформации, обусловленной силой тяжести. Поддерживающая часть также предоставляет преимущество уменьшения динамической деформации, например, обусловленной землетрясениями.

Максимальное ускорение или ускорение в нулевой момент времени (ZPA) составляет от 0,3 до 0,5 ускорения силы тяжести g (от 3 до 5 м/с²) для сильного землетрясения и приблизительно 0,2 g (2 м/с²) для умеренного землетрясения, и интервал частот максимальных колебаний во время землетрясения обычно составляет от 1 до 10 Гц.

Если бы ускорение от землетрясения просто добавлялось к ускорению силы тяжести, деформация проводника увеличивалась бы на 20-50% по сравнению с деформацией от силы тяжести, что составляет порядка нескольких сантиметров для проводников стандартного диаметра.

Проблема ускорения от землетрясения заключается в том, что оно изменяет направление, и если частота землетрясения совпадает с резонансной частотой проводника, деформация проводника может возбуждать автоколебания с возрастающей амплитудой. Если проводник должен соединяться с заземленным экраном 15 на внутренней поверхности полого изолятора, в том числе путем непосредственного контакта или посредством дуги, обязательно возникнет катастрофическое короткое замыкание.

Поддерживающая часть будет изменять резонансную частоту проводника и при надлежащей конструкции сделает проводник более безопасным по отношению к автоколебаниям, возбуждаемым землетрясениями, путем изменения резонансной частоты проводника.

Высоковольтный ввод, содержащий полый изолятор и проводник, проходящий через полый изолятор и включающий в себя полый проводник (1), закрепленный на концах полого изолятора и неподдерживаемый изолятором между закрепленными концами, проводник (1) содержит поддерживающую часть (2), расположенную внутри полого проводника (1), причем поддерживающая часть (2) проходит в продольном направлении полого проводника (1), и поддерживающая часть (2) выполнена с возможностью поддерживать полый проводник (1), чтобы увеличивать жесткость проводника и тем самым уменьшать статическую деформацию проводника в полом изоляторе, при этом высоковольтный ввод является вводом с газовой изоляцией. Изобретение обеспечивает уменьшение деформации проводника и предотвращение пробоя изоляции в очень длинных вводах. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Высоковольтный ввод (18), содержащий:
полый изолятор (12),
проводник, проходящий через полый изолятор и включающий в себя полый проводник (11, 1), закрепленный на концах (10, 17) полого изолятора, и неподдерживаемый изолятором между закрепленными концами,
отличающийся тем, что проводник содержит поддерживающую часть (2), расположенную внутри полого проводника (1), причем поддерживающая часть проходит в продольном направлении полого проводника, остается фактически неподвижной внутри полого проводника и выполнена с возможностью поддерживать горизонтальную длину полого проводника, чтобы увеличить жесткость проводника и тем самым уменьшить статическую деформацию проводника в полом изоляторе, при этом высоковольтный ввод является вводом с газовой изоляцией.

2. Высоковольтный ввод по п. 1, в котором угол между продольным направлением проводника и горизонтальной плоскостью составляет менее чем 40°.

3. Высоковольтный ввод по п. 1, в котором повышенная жесткость полого проводника (11, 1) с поддерживающей частью (2) обеспечивает меньшую статическую деформацию (статический прогиб) полого проводника с поддерживающей частью, чем статическая деформация только одного полого проводника, даже хотя поддерживающая часть увеличивает вес проводника.

4. Высоковольтный ввод по п. 1, в котором поддерживающая часть обеспечивает изменения резонансной частоты проводника, что демпфирует колебания во время землетрясения.

5. Высоковольтный ввод по п. 1, в котором поддерживающая часть содержит армированный волокном полимер.

6. Высоковольтный ввод по п. 5, в котором поддерживающая часть содержит армированный углеродным волокном полимер.

7. Высоковольтный ввод по п. 6, в котором поддерживающая часть содержит армированный углеродным волокном эпоксидный полимер или армированный углеродным волокном сложный полиэфир.

8. Высоковольтный ввод по п. 1, в котором поддерживающая часть имеет трубчатую форму.

9. Высоковольтный ввод по п. 8, в котором толщина стенки поддерживающей части является постоянной в продольном направлении проводника.

10. Высоковольтный ввод по п. 8, в котором толщина стенки поддерживающей части изменяется в продольном направлении проводника.

11. Высоковольтный ввод по п.8, в котором поддерживающая часть проходит вдоль всего продольного направления проводника, и толщина стенки поддерживающей части превышает среднюю толщину стенки поддерживающей части на концах и в центре продольного направления проводника.

12. Высоковольтный ввод по п. 1, в котором поддерживающая часть содержит две или более частей, причем каждая часть расположена в том месте, где нагрузка проводника является наибольшей.

13. Высоковольтный ввод по п. 1, в котором поддерживающая часть содержит три части, одна из которых расположена в центральной части вдоль продольного направления проводника, и две части расположены у каждого конца проводника и проходят внутри полого проводника по направлению к середине.

14. Высоковольтный ввод по п. 12, в котором поддерживающая часть содержит две части, причем каждая часть расположена у конца проводника и проходит внутри полого изолятора по направлению к середине.

15. Высоковольтный ввод по п. 1, в котором газом является гексафторид серы.

16. Высоковольтный ввод по п. 1, в котором газ находится при атмосферном давлении.

17. Высоковольтный ввод, содержащий: полый изолятор, проводник, проходящий через полый изолятор и включающий в себя полый проводник, закрепленный у концов полого изолятора, при этом проводник содержит поддерживающую часть трубчатой формы, расположенную внутри полого проводника, причем поддерживающая часть проходит в продольном направлении полого проводника и остается фактически неподвижной внутри полого проводника, причем поддерживающая часть выполнена с возможностью поддерживать горизонтальную длину полого проводника, чтобы увеличить жесткость проводника и снизить статическую деформацию проводника в полом изоляторе,
при этом поддерживающая часть проходит вдоль продольного направления проводника, и толщина стенки поддерживающей части превышает среднюю толщину стенки поддерживающей части на концах и в центре продольного направления проводника.

18. Высоковольтный ввод, содержащий:
полый изолятор,
проводник, проходящий через полый изолятор и включающий в себя полый проводник, закрепленный у концов полого изолятора, при этом проводник содержит поддерживающую часть трубчатой формы, расположенную внутри полого проводника, причем поддерживающая часть проходит в продольном направлении полого проводника и остается фактически неподвижной внутри полого проводника, причем поддерживающая часть выполнена с возможностью поддерживать горизонтальную длину полого проводника, чтобы увеличить жесткость проводника и снизить статическую деформацию проводника в полом изоляторе,
при этом поддерживающая часть содержит три части, одна из которых расположена в центральной части вдоль продольного направления проводника, и две части расположены у каждого конца проводника и проходят внутри полого проводника по направлению к середине.

19. Высоковольтный ввод, содержащий:
полый изолятор,
проводник, проходящий через полый изолятор и включающий в себя полый проводник, закрепленный на концах полого изолятора, при этом проводник содержит поддерживающую часть трубчатой формы, расположенную внутри полого проводника, причем поддерживающая часть проходит в продольном направлении полого проводника, остается фактически неподвижной внутри полого проводника и выполнена с возможностью поддерживать горизонтальную длину полого проводника, чтобы увеличить жесткость проводника и тем самым уменьшить статическую деформацию проводника в полом изоляторе,
при этом поддерживающая часть содержит две или более частей, каждая из которых расположена там, где напряжение проводника является наибольшим,
при этом две или более частей размещены только вдоль части продольной оси проводника через ввод.

20. Высоковольтный ввод по п. 19, в котором две или более частей размещены в различных продольных положениях вдоль продольной оси проводника.

21. Высоковольтный ввод по п. 1, в котором поддерживающая часть содержит армированный волокном полимер.