Высоковольтное криогенное устройство Советский патент 1976 года по МПК H01B17/26 H01L39/00 

(54) ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ КРИОГЕННОЕ УСТРОЙСТВО существенно снижается с ростом температуры газа. Так, если электрическая прочность газообразного гелия в условиях одно родного поля при 5°К и нормальном давлении составляет 18 кВ/мм, то при 293°К она снижается до О,8 кВ/мм. По поверхности диэлектрика прочность газообразного гелия еще ниже. С другой стороны, в конструкцию ввода прототипа сохранено то неблагоприятное расположение электродов (стержень-фланец), которое, как и в проход ных изоляторах обычного типа, приводит к неравномерному распределению радиальной и аксиальной напряженыостей электрическог .л -поля, если не принято специальных мер I. г1аИ большая напряженность возникает у края заземленного фланца. Здесь она направлена в основном вдоль поверхности изоляционного остова и может быть, как известно, выраженаcr-E:L, -. lij гдеЕрш - - средняя радиальная напряженность, и - приложенное напряжение, d - толщина диэлектрика изоляционного остова. ( - - диэлектрические постоянные материала изоляционного остова и газообразного гелия, К - постоянный коэффициент, конструктивный параметр. Сочетание двух указанных выше неблагоприятных обстоятельств может приводить к появлению скользящих разрядов на повер ности остова у края заземленного фланца и перекрытию по поверхности. Напряжение перекрытия (U ) по поверхности проход ного изолятора обычной конструкции в газообразной и жидкой средах в нормальных условиях может быть выражено в функции длины перекрытия ( L ) , где Uj, - напряжение появления скользящих разрядов, А - коэффициент, зависящий от среды, материала и конструкции изолятора, т - коэффициент, как правило, близкий к значению 0,5. 1аким образом, повышение напряжения перекрытия ввода в известней конструкции требует увеличения длины открытой боковой поверхности изоляционного остова со сторо ны холодного конца, а следовательно, и ввода в целом. При этом вся область вокру этой поверхности ввода не может бь1ть за- 00 нята никакими заземленными элементами конструкции в объеме, по крайней мере, в виде сферы с диаметром, равным L . Это не всегда приемлемо для кри ос татов испы- тательных высоковольтных установок с жидким гелием и, как правило, всегда затруднительно в случае применения такой конструкции для высоковольтных токовводов в крупные сверхпрс оаящие магнитные системы, например индуктивные накопители энергии или сверхпроводящие выключатели, электрические машины. Это связано с тем, что в области всжруг вводов обычно располагаются различные крепежные и технологические элементы конструкции криостата 1под- весы, заливочные 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 выссжовольтных 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 остсеа, длина оболочки превышает длину части изоляционного остова, рйспопоженной внутри ванны с жидким , а конец этой части остова расположен ниже уровня жидкого гелия. На фиг. 1 изображена холодная часть ввода согласно изобретению; на фиг. 2 изображен вакуумный ввод выс жовольтного криогенного устройства в соответствии с изобретением (ванна для жидкого гелия. называемая далее криостатом, не показана); на фиг. 3 показаны зависимости напряжений перекрытия в разных , 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 кольцо и 6 - отверстие для выхода газообразного гелия, скапливающегося у холодного торца изоляционного остова. Оболочка 3 в случае монолитного эпоксидного изол$щионного остова может быть вьшолнена из мелкой металлической сетки. Это удучшает адгезию компаунда остова к металлу оболочки и облегчает условия сов- местной работы диэлектрика и металла, обпадающих разными термическими усадками, при большом перюпаде температуры (от ком натной до гелиевой). Высоковольтный вакуумный ввод в жидкий гелий (см. фиг. 2) состоит из токоведущего стержня 1; составного изоляционного остова 2 (20. и 2& - твердая изоляция, 2 (У - вакуум), цилиндрической заземленной оболочки 3 с удлиненной в сторону жидкого гелия стенкой из нержавеющей стали, оканчивающейся экранирующим кольцом 5 и отверстиями 6 для прохода газообразного гелия и содержащей термокомпенсатор (сильфон) 7j и с отверстием 8 для откачки вакуумного пространства; вакуумного вентили 9 и вакуумного уплотнения 1О из эпоксидного кпея. Ввод укреплен и уплотнен на крыщке 11 гелиевого криостата. Описанная конструкция высоковольтного криогенного устройства основана на особых свойствах жидкого гелия как диэлектрика. Так, полученные авторами данные (кривые А и Б на фиг. З) на моделях проходных из ляторов в жидком гелии (4, 1 ата) еви детельствует о том, что влияний И.е подчиняется закону, представленному уравнением j 2j. Опыты проводились на образцах из монолитного фторопласта-4, электроды (дюралюминкевые трубки) напрес совывались на заготовку из диэлектрика. Образцы устанавлшаались в криостате как горизонтально, так и вертикально. Некоторые образцы были изготовлены специально с разными L : например, с одной стороны L О, ас другой L 10 мм. Напряжение 50 Гц плавно (со скоростью подъема 1 кВ/с) подавалось на внутренний электрод до перекрытия образца. На каждом образце подряд проводилось до 25-ги перекрытий. Всего испытано свыще ЗО-ти различных мо делей. Результаты испытаний показали, что напряжение и „ер в жидком гелии возрастает с увеличением толщины изолятора ( J ) качественно так же, как и в обычйых условиях и в жидком азоте, даже с учетом значительного разброса значений пер .получен ных а разньш ееризш испытаний в жи оком гелии, Unsp не увеличивалось с ростом L . В образцах с неодинаковыми по концам L перекрытие происходило в конце с большим L. С другой стороны, испытания указанных мо делей в трансформаторном масле, воздухе, жидком азоте з газообразном гелии в преж них условиях э1-.сперимента (кривые В, Г, Д, Е я Ж на фаг. З) давали привычную зави fW симость и соотве тствующую уравнению . 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 Unep Это необычное явление связано, видимо, с тем, что в среде жидкого гелия U пер для вводов определяется только величиной U , которая определяется составляющей Ещек , зависящей согласно известному выражению jYj от толщины изол5щионного остсва d . 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 считать адиабатическими условия нагрева жидкого (а затем и газообразного) гелия в области появления этих разр5адов. Таким образом, канал скольз5пцего разряда мгновенно заполняется теплым газообразным гелием, электрическая прочность среды вдоль канала резко снижается и скользящий разряд сразу перерастает в перюкрытие 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 холодного конца ввода, аксиальная составляющая напряженности электрического поля воспринимается уже не поверхностью диэлектрика, а свободным жидким 1 елием. Более того, увеличение длины этой оболочки (отрицательные значения на кривых А и Б фиг, З) в сторону холодного конца ввоца свьпие длины изоляционного остсва повышает напряжение перекрытия. Видимо, получаемый своего рода навес экранирует торцевую часть поверхности изоляционного состава, повыща, в атом месте однородность электрического поля. Продление стенок цилиндрической проводящей оболочки под уровень жидкого гелия и увеличение ее аксиального размера в этом направлении свыше длины изоляционного остсеа ввода создают благоприятные условия для конструирования сверхпроводящих высоковольтных устройств, так как рабочий объем криостата вокруг заземленной оболочки может быгь использован пол-

ностью без снижения номинального напряжения всего усгройства. Кроме этого номинальное напряжение ввода предлагаемой конструкции может быть увеличено не менее чем на 5О% по сравнению с обычной. Варнант 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.

Формула изобретения 1. Высоковольтное криогенное устройство например испытательный криостат, содержащее ванну с жидким гелием и выссжовольтный электрический ввод в указанную ванну с токоведущим стержнем, и&1,аяционным остовом и заземленным фланцем, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности, часть ввода, расположенная внутри ванны с жидким гелием, снабжена циливдрнческой проводящей оболочкой, электрически связанной с заземленным фланцем, внутренвий диаметр которой равен внещнему дваметру изоляционного остова, длина оболочки превышает длину части изоляционного остова, расположенной внутри ванны с жидкит телием, а конец этой части остова расположен ниже уровня жидкого гелия

2.Высоковольтное криогенное устройство по п. 1, отличающееся тем, что изоляционный остов ввода выполнен по длине из двух отдельных частей, разделенных вакуумным промежутком, а оболочка снабжена термокомпенсатором, например сил4 фоном.

3.Высоковольтное криогенное устройство по п. 1, отличающееся 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 RGE 77, № 6, 1968 г., стр. 605-6О9.

tie-i

50

iiS&i

W

-S «-2ff-W

В

d-SMM

2B ftMdl

70