Способ заправки жидким диэлектриком высоковольтных электротехнических приборов и устройство для его реализации
Владельцы патента RU 2699365:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу заправки жидким диэлектриком высоковольтных электротехнических приборов и устройству для заправки. В предложенном способе перед заполнением внутреннего объема высоковольтного прибора жидким диэлектриком устройство вакуумируют, жидкий диэлектрик дегазируют и проводят контроль заполнения, при этом вакуумирование высоковольтного прибора проводят с нижнего технологического торца до давления не менее 35 Па, с поддержанием данного давления в течение не менее 60 минут, а перед заполнением внутреннего объема прибора жидким диэлектриком осуществляют заполнение прибора газообразным диэлектриком с верхнего технологического торца прибора под давлением не менее 111 кПа и с поддержанием данного давления не менее 20 минут, после чего производят повторное вакуумирование внутреннего объема до давления не менее 35 Па с последующей подачей жидкого диэлектрика, при этом заполнение жидким диэлектриком осуществляют с нижнего технологического торца. Устройство для заправки жидким диэлектриком содержит бак с жидким диэлектриком, который подключают к высоковольтному прибору при помощи вакуумного трубопровода. Подача жидкого диэлектрика, подаваемого вакуумным насосом, контролируется расходомером. В составе устройства имеется газовый баллон с диэлектриком, на котором расположен редуктор. Повышение качества заправки и как следствие, повышение надежности работы высоковольтного электротехнического прибора, является техническим результатом изобретения. Возможно размещение предложенного устройства для заправки на мобильном устройстве, что позволяет его использовать непосредственно в местах эксплуатации высоковольтных электротехнических приборов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Настоящее изобретение относится к области высоковольтной электротехники и может быть использовано в машиностроении, электротехнике, а также в других отраслях промышленности, где требуется заправка (заполнение) жидким диэлектриком (ЖД) высоковольтных электротехнических приборов (ВЭП), например, устройств для генерации высокого напряжения.
Известны способ заправки ЖД ВЭП и устройство для его реализации [см. патент RU №2462779 С1, МПК Н01G 13/04, опубл. 27.09.2012 в бюл. №27 «Способ и устройство для вакуумирования и маслозаполнения высоковольтного конденсаторного блока»]. Способ включает термовакуумирование высоковольтного конденсаторного блока (по сути являющегося ВЭП), дегазацию ЖД (в данном случае масла) и заполнение им высоковольтного блока, при этом скорость подъема ЖД в высоковольтном блоке контролируют. Термовакуумирование высоковольтного блока совмещают с заполнением высоковольтного блока. Уровень ЖД в высоковольтном блоке и качество его дегазации контролируют визуально с помощью смотрового окна на съемной крышке высоковольтного конденсаторного блока.
Устройство для осуществления способа представляет собой высоковольтный блок с конденсаторными секциями внутри и съемной крышкой на верхнем торце корпуса. В съемной крышке выполнено смотровое окно и установлены два отдельных штуцера: первый штуцер присоединен с помощью вакуумного шланга к вакуумному насосу, а второй штуцер присоединен с помощью маслопровода, выполненного из медицинской системы для переливания крови, к резервуару для ЖД, с установленным на ней дросселем. Резервуар выполнен с возможностью разгерметизации и заправки его ЖД, а также подогрева масла и его вакуумной сушки. На вакуумных шлангах, идущих от конденсаторного блока и резервуара с конденсаторным маслом к вакуумному насосу, установлены вентили и вакуумметры.
Недостатком данного способа является разгерметизация высоковольтного блока с залитым в него ЖД при выполнении технологического процесса подготовки и заполнения высоковольтного блока, вследствие чего происходит насыщение ЖД, залитого в высоковольтный блок, так называемой связанной водой, находящейся в атмосферном воздухе, образующейся в виде осадка на поверхности ЖД, залитого в высоковольтный блок. Связанная вода в ЖД со временем переходит в насыщенное состояние и способствует появлению растворенной воды, которая состоит из крупных капель жидкости. В растворенном состоянии вода не оказывает значительного влияния на электрическую прочность ЖД, залитого в высоковольтный блок, однако способствует повышению окисляемости ЖД и снижению его стабильности, что в свою очередь приводит в процессе дальнейшей эксплуатации высоковольтного блока к появлению в ЖД эмульгированной воды, состоящей из мелких капель жидкости. Капли воды осаждаются под действием электрического поля и выстраиваются в цепи, образуя токопроводящие мосты, и существенно влияют на пробивание напряжения ЖД, залитого в высоковольтный блок, приводящего к неспособности ЖД выдерживать приложения напряжения без пробоя, что в свою очередь приведет к выходу высоковольтного блока из строя.
Недостатком устройства, применяемого при реализации способа, является использование в качестве маслопроводов медицинских систем для переливания крови. Данные маслопроводы изготовлены из силиконовых материалов. Диэлектрическая жидкость поглощается в силиконе, вызывая разбухание и потерю материалом физических свойств, что соответственно приводит к выходу из строя устройства для заполнения высоковольтного блока.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемому изобретению является способ заправки ЖД ВЭП и устройство для его реализации [см. патент RU№2542743 С2, МПК Н01G 13/04 (2006.01), опубл. 27.02.2015 в бюл. №6 «Способ для вакуумирования и заливки нефтяными электроизляционными маслами высоковольтных блоков»]. Способ включает вакуумирование с верхнего технологического торца высоковольтного блока, заливку высоковольтного блока ЖД (нефтяными электроизляционными маслами), с одновременным вакуумированием и оббезгаживанием диэлектрика в ресивере, с последующим заполнением высоковольтного блока обезгаженным ЖД, при этом контроль заполнения высоковольтного блока осуществляют при помощи ресивера, выполненного из прозрачного материала.
Устройство для осуществления способа состоит из заполняемого высоковольтного блока с подключенным ресивером. К ресиверу подключен бак с ЖД при помощи масляной магистрали, с установленным на ней вентилем. Также подключен к ресиверу вакуумный насос при помощи вакуумной магистрали, с установленным на ней вакуумным вентилем, и с подключением измерителя давления (вакуумметра).
Недостаток способа и устройства для его осуществления связан с тем, что высоковольтный блок вакуумируют с верхнего технологического торца высоковольтного блока до остаточного давления не более 1,5 Па. Данная технологическая операция не позволяет удалять механические частицы, образовавшиеся в результате изготовления и сборки высоковольтного блока. Сложная конструкция высоковольтного блока препятствует свободному вертикальному перемещению механических частиц от нижнего технологического торца к верхнему. При принудительном заполнении высоковольтного блока ЖД, механические примеси разносятся по внутреннему объему высоковольтного блока, что в конечном итоге приводит к образованию парамагнитных центров, вокруг которых сосредотачиваются молекулы с меньшими энергиями взаимодействия, приводящие к образованию коллоидных микрогетерогенных структур, которые в конечном итоге приводят к снижению пробивного напряжения высоковольтного блока и выхода его из строя.
Кроме того, существенным недостатком способа является предварительное вакуумирование внутреннего объема высоковольтного блока до остаточного давления 1,5 Па. Данная технологическая операция, исходя из соотношения определения скорости откачки [К.П. Шумский «Вакуумные аппараты и приборы химического машиностроения», Москва, Машиностроение, 1974]:
где t - время необходимое для откачки вакуумного объема от давления P1 до давления Р2;
S - быстрота действия вакуумного насоса, м3/час;
V - объем откачиваемой емкости, м3;
Р1 - начальное давление в откачиваемой емкости;
Р2 - конечное давление в откачиваемой емкости;
F - поправочный коэффициент, зависящий от Р2,
займет порядка 24 часов для получения остаточного давления в высоковольтном блоке не менее 1,5 Па, что приводит соответственно к увеличению энергозатратности, за счет увеличения времени заправки.
Кроме того, недостатком является расположение вакуумметра для измерения остаточного давления высоковольтного блока. Он находится не на высоковольтном блоке, а на трубопроводе, подсоединенном через ресивер к высоковольтному блоку, что приводит к недостоверности измерений вакуума в высоковольтном блоке.
Актуальность технической проблемы качественной заправки связана с необходимостью надежной и стабильной работы ВЭП.
Техническим результатом изобретения является повышение качества заправки ВЭП ЖД и как следствие, повышение надежности работы ВЭП.
Дополнительным техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является возможность размещения конструкции устройства на мобильном приспособлении, позволяющем расширить возможность применения устройства не только стационарно (в помещении), но и непосредственно в местах эксплуатации ВЭП.
Технический результат достигается тем, что в известном способе заправки ЖД ВЭП, перед заполнением внутреннего объема ВЭП ЖД, ВЭП вакуумируют, дегазируют ЖД, с последующим контролем заполнения ВЭП. В отличие от известного способа, вакуумирование ВЭП осуществляют с нижнего технологического торца ВЭП до давления не менее 35 Па, с поддержанием данного давления в течение не менее 60 минут, перед заполнением внутреннего объема ВЭП ЖД, осуществляют заполнение ВЭП газообразным диэлектриком (ГД) с верхнего технологического торца ВЭП под давлением не менее 111 кПа с поддержанием данного давления не менее 20 минут, затем производят повторное вакуумирование внутреннего объема ВЭП до давления не менее 35 Па с последующей подачей ЖД, при этом заполнение ЖД ВЭП осуществляют с нижнего технологического торца ВЭП. Кроме того, контроль заполнения ВЭП ЖД осуществляется с помощью механического расходомера.
В устройстве для заправки ЖД ВЭП, технический результат достигается тем, что наряду с общими с прототипом признаками, а именно: бак с ЖД, подключенный к ВЭП при помощи трубопровода подачи ЖД с вентилем, вакуумный насос, вакуумный трубопровод с вентилем, измеритель давления, включены новые, а именно: устройство дополнительно содержит газовый баллон с ГД, с расположенным на нем газовым редуктором, подключенный к ВЭП при помощи трубопровода подачи ГД с вентилем, у корпуса ВЭП с верхнего технологического торца имеется дренажное отверстие, с подсоединенным к нему технологическим тройником для подключения трубопровода подачи ГД и измерителя давления, с нижнего технологического торца к корпусу ВЭП крепятся два штуцера: технологический штуцер вакуумного трубопровода для подключения к вакуумному насосу при помощи вакуумного трубопровода и технологический штуцер подачи ЖД для подключения к емкости с ЖД. Кроме того, для контроля заполнения ВЭП ЖД используется механический расходомер. Конструкции устройства может быть размещена на мобильном приспособлении.
Предварительное вакуумирование ВЭП с нижнего технологического торца до давления не менее 35 Па и выдержка при данном давлении не менее 60 минут позволит произвести удаление молекулярной воды и частично механических примесей из внутреннего объема ВЭП, а также провести опрессовку ВЭП, что позволит повысить качество технологического процесса заправки ВЭП.
Заполнение внутреннего объема ВЭП ГД с верхнего технологического торца ВЭП под давлением не менее 111 кПа и выдержка при данном давлении не менее 20 минут, позволяет провести принудительное выдавливание оставшихся после предварительного вакуумирования молекулярной воды, газов и механических частиц из капилляров сотовой конструкции ВЭП и принудительного перемещения их в нижний технологический торец ВЭП, а также позволяет произвести адгезию ГД в элементы ВЭП, что, в конечном счете, позволяет существенно повысить качество заправки ВЭП ЖД, а также избавит от необходимости вакуумировать внутренний объем ВЭП до более глубокого вакуума, как в прототипе, что приведет к сокращению времени заправки и к значительному снижению энергозатратности.
При повторном вакуумировании ВЭП до остаточного давления не менее 35 Па происходит удаление остатков механических примесей, газов и молекулярной воды из нижнего технологического торца ВЭП.
При подаче ЖД в отвакуумированный ВЭП происходит вакуумная дегазация ЖД, что позволяет снизить содержание в ЖД растворенной воды и газов.
Заливка ЖД с нижнего технологического торца ВЭП обеспечивает максимальное проникновение ЖД в капиллярные отверстия конструкции ВЭП.
Вышеназванные отличительные признаки способа в совокупности положительно влияют на качество заправки ВЭП ЖД, позволяют исключить пробои и короткие замыкания в ВЭП, и тем самым обеспечивают бесперебойную работу ВЭП и повышают надежность работы ВЭП.
В предлагаемом устройстве дополнительно появляется газовый баллон с ГД и соответственно трубопровод подачи ГД. ГД позволяет произвести выдавливание, оставшихся после вакуумирования, воздуха, жидкости и газов из внутреннего объема ВЭП, что существенно повышает качество заправки ВЭПЖД.
Важным признаком устройства является и то, что измеритель давления в предлагаемом устройстве находится на технологическом тройнике, конструктивно максимально приближенном к ВЭП, что позволяет измерять давление с максимальной точностью, качественно контролировать процесс вакуумирования ВЭП, что обеспечивает качественную заправку ВЭП.
Также следует обратить внимание на то, что трубопровод подачи ГД расположен со стороны верхнего технологического торца ВЭП, а трубопровод подачи ЖД, наоборот, с нижнего технологического торца ВЭП, что обеспечивает максимальное удаление оставшихся частиц воды, газов и механических примесей для равномерного и качественного заполнения всего объема ВЭП.
Механическое крепление газового редуктора к трубопроводу подачи ГД обеспечивает контроль и регулировку давления ГД, подаваемого во внутренний объем ВЭП.
Крепление механического расходомера к трубопроводу подачи ЖД обеспечивает точное измерение заполнения ВЭП ЖД.
Наличие в схеме газового редуктора и механического расходомера обеспечивают контроль над технологическим процессом, тем самым помогает влиять на качество заправки ЖД ВЭП.
Важно отметить, что устройство может быть расположено на мобильном приспособлении, которое позволяет расширить возможности применения устройства не только стационарно.
Вышеназванные отличительные признаки устройства в совокупности положительно влияют на качество заправки ВЭП ЖД, благодаря им схема устройства усовершенствуется, повышается надежность работы ВЭП.
На фиг. показана схема заявляемого устройства для заправки ЖД ВЭП.
Принятые обозначения:
1 - ВЭП
2 - вакуумный насос
3 - герметизирующий вентиль вакуумного трубопровода
4 - измеритель давления
5 - технологический тройник
6 - вакуумный трубопровод
7 - герметизирующий вентиль подачи ГД
8 - редуктор газовый
9 - газовый баллон с ГД
10 - герметизирующий вентиль подачи ЖД
11 - емкость с ЖД
12 - трубопровод подачи ЖД
13 - трубопровод подачи ГД
14 - технологический штуцер подачи ЖД
15 - технологический штуцер вакуумного трубопровода
16 - дренажное отверстие
17 - расходомер механический
18 - мобильное приспособление
Устройство для заправки ЖД ВЭП представляет собой заполняемый ВЭП 1, состоящий из сложной сотовой конструкции высоковольтных проходных изоляторов и зарядных цепей. К ВЭП 1 при помощи технологического штуцера подачи ЖД 14 с нижнего технологического торца через трубопровод подачи ЖД 12 диаметром 50 мм из поливинилхлорида, с расположенным на нем герметизирующим вентилем 10 и механическим расходомером 17 (ЭМИС), подключена емкость 11 (металлическая герметичная бочка объемом 200 л) с ЖД (силиконовая трансформаторная жидкость СОФЭКСИЛ-ТСЖ). Также к корпусу ВЭП 1 при помощи технологического штуцера вакуумного трубопровода 15 с нижнего технологического торца через вакуумный трубопровод 6 12Х18Н10Т диаметром 50 мм, с расположенным на нем герметизирующим вентилем 3, подключен насос 2 малой мощности с производительностью порядка 5 л/сек. У верхнего технологического торца корпуса ВЭП 1 имеется дренажное отверстие 16, к которому подключен технологический тройник 5. К тройнику 5 присоединяются прибор для измерения давления 4, представляющий собой механический манометр с диапазоном измерения от 750 до 10-1 мм рт.ст. Также к тройнику 5 через трубопровод подачи ГД 13 из стали 12ХН10Т с расположенным на нем герметизирующим вентилем 7 и газовым редуктором 8 подключен газовый баллон 9 наполненный ГД (гексафторид серы, плотность 6,5 кг/м3) объемом 40 л.
Устройство для заправки ЖД ВЭП, реализуя способ, работает следующим образом: внутренний объем ВЭП 1 вакуумируют до давления 35 Па с помощью вакуумного насоса 2 при открытом вентиле 3, поддерживают данное давление во внутреннем объеме не менее 60 минут, давление определяется с помощью измерителя давления 4, установленного в технологический тройник 5. Далее, производится закрытие герметизирующего вентиля вакуумного трубопровода 3 и производится открытие герметизирующего вентиля подачи ГД 7 и газового редуктора 8 и осуществляется заполнение внутреннего объема ВЭП 1 ГД из газового баллона 9 под давлением не менее 111 кПа с выдержкой при данном давлении не менее 20 минут. По окончании, закрывается герметизирующий вентиль подачи ГД 7, открывается герметизирующий вентиль вакуумного трубопровода 3 и производится повторное вакуумирование ВЭП до остаточного давления 35 Па. Далее открывается герметизирующий вентиль подачи ЖД 10 и производится подача ЖД во внутренний объем ВЭП 1, при подаче ЖД из емкости 11 в отвакуумированный ВЭП 1 происходит дегазация ЖД. Контроль заполнения ЖД осуществляется механическим расходомером 17. Как только ВЭП заполнится, перекрывается технологический вентиль подачи ЖД 10, на этом процесс закончен.
Вся конструкция устройства для заправки ЖД ВЭП располагается на мобильном приспособлении 18, представляющим собой гидравлическую тележку прямоугольной формы размером 1500×1000×350 мм с размещенным на ней технологическим оборудованием.
По сравнению с прототипом преимущество способа и устройства согласно изобретению заключается в получении качественной заправки ВЭП ЖД и надежной бесперебойной работы ВЭП в целом.
Преимуществом предлагаемого устройства является использование его в качестве промышленного устройства для последовательной очистки от молекулярной воды, механических частиц и органических загрязнений ВЭП с целью обеспечения их надежной работы.
Проведена конструкторская проработка и создано устройство заправки ЖД ВЭП. К настоящему времени предлагаемый способ и устройство прошли тестирование и опробованы при заполнении ЖД генераторов импульсных напряжений электроразрядного химического лазера.
1. Способ заправки жидким диэлектриком высоковольтных электротехнических приборов, заключающийся в том, что перед заполнением внутреннего объема высоковольтного электротехнического прибора жидким диэлектриком, высоковольтный электротехнический прибор вакуумируют, дегазируют жидкий диэлектрик, с последующим контролем заполнения высоковольтного электротехнического прибора, отличающийся тем, что вакуумирование высоковольтного электротехнического прибора осуществляют с нижнего технологического торца высоковольтного электротехнического прибора до давления не менее 35 Па, с поддержанием данного давления в течение не менее 60 минут, перед заполнением внутреннего объема высоковольтного электротехнического прибора жидким диэлектриком, осуществляют заполнение высоковольтного электротехнического прибора газообразным диэлектриком с верхнего технологического торца высоковольтного электротехнического прибора под давлением не менее 111 кПа с поддержанием данного давления не менее 20 минут, затем производят повторное вакуумирование внутреннего объема высоковольтного электротехнического прибора до давления не менее 35 Па с последующей подачей жидкого диэлектрика, при этом заполнение жидким диэлектриком высоковольтного электротехнического прибора осуществляют с нижнего технологического торца высоковольтного электротехнического прибора.
2. Устройство для заправки жидким диэлектриком высоковольтных электротехнических приборов, содержащее бак с жидким диэлектриком, подключенный к высоковольтному электротехническому прибору при помощи трубопровода подачи жидкого диэлектрика с вентилем, вакуумный насос, вакуумный трубопровод с вентилем, измеритель давления, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит газовый баллон с газообразным диэлектриком, с расположенным на нем газовым редуктором, подключенный к высоковольтному электротехническому прибору при помощи трубопровода подачи газообразного диэлектрика с вентилем, у корпуса высоковольтного электротехнического прибора с верхнего технологического торца имеется дренажное отверстие, с подсоединенным к нему технологическим тройником для подключения трубопровода подачи газообразного диэлектрика и измерителя давления, с нижнего технологического торца к корпусу высоковольтного электрического прибора крепятся два штуцера: технологический штуцер вакуумного трубопровода для подключения к вакуумному насосу при помощи вакуумного трубопровода и технологический штуцер подачи жидкого диэлектрика для подключения к емкости с жидким диэлектриком.
3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что для контроля заполнения высоковольтного электротехнического прибора жидким диэлектриком используется механический расходомер.
4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что конструкция устройства размещена на мобильном приспособлении.
