Высоковольное криогенное устройство Советский патент 1982 года по МПК H01B17/26 H01L39/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к высоковольтным испытательным установкам с жидким гелием, а также может быть использовано при конструировании сверхпроводящих кабелей и высоковольтных токовводов в крупные сверхпроводящие магнитные системы.

По основному авт. св. № 521610 известно высоковольтное криогенное устройство, содержащее ванну с жидким гелием и высоковольтный электрический ввод в указанную ванну с токоведущим стержнем, изоляционным остовом и заземленным фланцем. Часть ввода, расположенная внутри ванны с жидким гелием, снабжена цилиндрической проводящей оболочкой, электрически связанной с заземленным фланцем, длина оболочки превышает длину части изоляционного остова, расположенной внутри ванны с жидким гелием, ,а конец этой части остова расположен ниже уровня жидкого гелия, причем проводящая оболочка перфорирована у нижнего края остова - для прохода газообразного гелия, скапливающегося у торца изоляционного остова в результате кипения жидкого гелия от притока тепла по токоведущему стержню.

Основным недостатком известного устройства в случае его использования в качестве высоковольтных многоамперных токовводов, имеющих значительный теплоприток по токоведущему стержню в жидкий гелий, является скопление большого количества пузырьков гелия и даже образование газовой пленки с торца изоляционного остова, несмотря на наличие перфорации заземленной оболочки в этом месте. Это вызывает значительное снижение электри10ческой прочности холодного конца токоввода. Так, если напряжение пробоя промел утка 1 мм с жидким гелием в однородном электрическом поле 50 Гц при нормальном давлении составляет 30-32 кВ максималь15но, то в тех же условиях прочность газообразного гелия при 5 К снижается до 18 кВ максимально.

Другим недостатком конструкции ввода в случае выполнения его остова из сплош20ного твердого диэлектрика является трудность обеспечения плотного прилегания материала изоляционного остова к токоведущему стержню по всей длине. Эта трудность связана с разностью термических

25 усадок металла стержня (в многоамперных токовводах обычно меди) и диэлектрика остова, вследствие чего между остовом и токоведущим стержнем при работе в жидком гелии может образоваться щель, куда

30 будет проникать газообразный гелий. В образевавшейся газовой прослойке возникнут частичные разряды вследствие -более низких диэлектрической проницаемости и электрической прочности гелия по сравнению с диэлектриком остова.

Со временем действие частичных разрядов приводит к порче твердого диэлектрика остова.

Еще одним недостатком известного устройства является возможность задержки (и, со временем, скопления) пузырьков гелия на торце или их слишком медленное движение.

Целью изобретения является повышение надежности работы устройства путем уменьшения возможности образования и скопления газообразного гелия у холодного торца изоляционного остова.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемое высоковольтное криогенное устройство снабжено трубкой, выполненной из металла с низкими электро- и теплопроводностью, внутренний диаметр которой больше наружного диаметра стержня, а наружный равен внутреннему диаметру изоляционного остова, и плоской деталью из диэлектрика с наружным диаметром, превышающим наружный диаметр оболочки, трубка установлена между остовом и стержнем и отделена от последнего вакуумным промежутком, длина участка трубки, располол енного ниже уровня жидкого гелия, больше дликы соответствующего участка оболочки и меньше длины участка стержня, а плоская деталь установлена на указанном участке трубки между ее концом, герметично соединенным со стержнем, и торцом остова.

При этом изоляционный остов может быть выполнен в виде единой детали, в этом случае трубка имеет длину, превышающую длину остова.

Изоляционный остов может быть также выполнен по длине из двух отдельных частей, разделенных вакуумным промежутком, сообщающимся с внутренней полостью трубки, герметично соединенной с частью изоляционного остова, расположенной ниже уровня жидкого гелия.

В высоковольтном криогенном устройстве, в соответствии, с изобретением токоведущий стержень может быть выполнен полым, при этом его конец соединен ди лeктpичecкoй трубкой с объемом криостата непосредственно над уровнем жидкого гелия.

На фиг. изображен, высоковольтный многоамперный токоввод в ванну с жидким гелием с изоляционным остовом из сплошного твердого диэлектрика; на фиг. 2 - высоковольтный многоамперный токоввод с изоляционным остовом, разделенным по длине вакуумным промежутком.

Высоковольтный ввод (фиг. 1) состоит из токоведущего стержня 1, трубки 2, герметично соединенной с ним вблизи его концов, выполненной из металла с низкими электро- и теплопроводностью, например из нержавеющей стали, и КТР близКИМ к КТР твердого диэлектрика изоляци онного остова 3 в диапазоне Т 4-300 К. Внутренний диаметр трубки больше наружного диаметра стержня, а наружный равен внутреннему диаметру изоляционного остова. Трубка установлена между остовом и стержнем и образует вокруг последнего вакуумную полость 4, в верхней части которой имеется вакуумный вентиль 5; изоляционный остов заключен в металлическую

цилиндрическую оболочку 6, электрически соединенную с заземленным фланцем 7 ввода, укрепленного на крышке 8 криостата. Оболочка снизу оканчивается экранирующим кольцом 9 и имеет на уровне нижнего торца остова отверстия .10 по всей длине окружности оболочки; нижний конец токоведущего стержня соединен диэлектрической трубкой 11с объемом криостата непосредственно над уровнем жидкого гелия

12. На экранирующей трубке между ее концом и нижним крлем оболочки плотно уккреплена плоская деталь 13 из диэлектрика с наружным диаметром, превышающим диаметр оболочки, а сам нижний конец экранирующей трубки снабжен сильфонным термокомпенсатором 14.

Ввод (фиг. 1) функционирует следующим о.бразом.

Основная доля тока течет по токоведущему стержню 1, а экранирующая трубка 2 имеет одинаковый со стержнем электрический потенциал и проводит незначительную долю электрического тока вследствие своей низкой электропроводности. Теплоприток по вводу в жидкий гелий снимается с поверхности нижнего конца стержня, расположенной под плоской деталью 13 из диэлектрика, так что образующиеся пузырьки газообразного гелия, обтекающие

последний, не попадают в область нижнего торца изоляционного остова. Изнутри токоведущий стержень охлаждается потоком газообразного холодного гелия, поступающего в нижний конец стержня по диэлектрической трубке М из объема криостата непосредственно над уровнем жидкого гелия .12. Отдельные пузырьки газа, все же попадающие к нижнему торцу остова, выходят через отверстия 10, которыми снабжена цилиндрическая оболочка б иа уровне нижнего торца изоляционного остова. Ввод такой конструкции может работать и без диэлектрической трубки 11, если нижний торец полого токоведующего стержня

открыт. При этом уровень жидкого гелия внутри стержня будет одинаковым с уровнем 12 в криостате. Однако при колебалиях давления в криостате будет меняться и положение уровня жидкого гелия внутри

стержня - это вызовет дополнительное испарение гелия. Увеличение же давления В линии обратного нотока гелия может вызвать полное вытеснение жидкого гелия из полости внутри стержня с выходом через нижний торец большого пузыря теплого газа, причем не исключен заброс части этого газа в область у нижнего торца остова. Это вызвать перекрытие находящегося под напряжением ввода. Вакуумный высоковольтный ввод (фиг. 2) состоит из токоведущего стержня 1, трубки 2, герметично соединенной со стержнем (вблизи его нижнего конца) и нижней частью За составного изоляционного остова, отделенного от своей верхней части 36 вакуумным промежутком 4, причем экранирующая трубка образует вокруг стержня вакуумную полость, общую с, этим вакуумным промежутком; в верхней части образованной таким образом вокруг стержня вакуумной рубащки имеется вакуумный вентиль 5, подсоединенный к общему вакуумному объему ввода трубкой, проходящей через металлическую цилиндрическую оболочку 6 и заземленный фланец ввода 7. Термокомпенсатор 14 вакуумного токоввода (фиг. 2) расположен на цилиндрической оболочке в ее средней части. Вакуумный ввод (фиг. 2) работает аналогично вводу по фиг. 1 с той разницей, что по токоведущему стержню протекает весь электрический ток ввода, а через вакуумный вентиль 5 откачиваются одновременно и вакуумный промежуток изоляционного остова и вакуумная полость между Стержнем и экранирующей трубкой; разницу в термических усадках (при охлаждении ввода) между стержнем и остальной частью ввода воспринимает термокомпенсатор, расположенный в средней части оболочки. Для .более быстрого удаления пузырьков гелия, попавщего или образовавщегося на нижнем торце остова, а иногда и по конструктивным соображениям, электрический ввод вблизи уровня жидкого гелия может быть плавно изогнут так, что торец остова располагается под углом к поверхности гелия, а предельно холодный торец остова может быть повернут на 180°. Формула изобретения I. Высоковольтное криогенное устройство по авт. св. № 52161.0, отличающеес я тем, что, с целью повыщения надежности путем уменьщения возможности образования и скопления газообразного гелия у холодного торца изоляционного остова, оно снабжено трубкой, выполненной из металла с низкими электро- и теплопроводностью, внутренний диаметр которой больше наружного диаметра стержня, а наружный равен внутреннему диаметру изоляционного остова, и плоской деталью из диэлектрика с наружным диаметром, превышающим наружный диаметр оболочки, трубка установлена между остовом и стержнем и отделена от последнего вакуумным промежутком, длина участка трубки, расположенного ниже уровня жидкого гелия, больше длины соответствующего участка оболочки и меньше длины участка стержня, а плоская деталь установлена на указанном участке трубки между ее концом, герметично соединенным со стержнем, и торцом остова. 2. Устройство по п. 1, отличающеес я тем, что изоляционный остов выполнен в виде единой детали, а трубка имеет длину, превышаюшую длину остова. 3. Устройство по пп. 1 и 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что изоляционный остов выполнен по длине из двух отдельных частей, разделенных вакуумным промежутком, сообщающимся с внутренней полостью трубки, герметично соединенной с частью изоляционного остова, расположенной ниже уровня жидкого гелия. 4. Устройство по пп. 1-3, отличающееся тем, что токоведущий стержень выполнен полым, а его конец соединен диэлектрической трубкой с объемом криостаа непосредственно над уровнем жидкого елия.