автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Электрическая прочность азота для промежутков высоковольтных криогенных энергетических установок

Введение.

1. Электрическая прочность жидкостей и газов при крио-температурах.

1.1. Характеристика состояния азота при криотемпературах.

1.2. Основные явления в разрядном промежутке.

1.3. Общие представления о механизме пробоя жидкостей и газов.

1.4. Краткий обзор экспериментальных результатов по пробою криогенных жидкостей.

1.5. Выводы и задачи исследований.

2. Результаты исследования пробивных напряжений в азоте без загрязнений.

2.1. Экспериментальная установка и методика испытаний.

2.2. Результаты предварительных экспериментов по оценке методики.

2.3. Результаты исследований пробивных напряжений для электродов "сфера-плоскость" при плавном подъеме напряжения промышленной частоты.

2.4. Выводы.бд

3. Особенности процессов пробоя промежутков с азотом при криотемпературах.

3.1. Анализ процессов при пробое паров азота.

3.2. Анализ процессов при пробое жидкого азота.

3.3. Статистические характеристики электрической прочности.

3.4. Выводы.

4. Результаты измерений цробивных напряжений в техническом жидком азоте.

4.1. Исследования зависимостей пробивных напряжений в электродной системе с различными размерами и содержанием примесей при кратковременном приложении напряжения промышленной частоты.

4.2. Исследования пробивных напряжений промежутков с движущимся жидким азотом при кратковременном приложении напряжения промышленной частоты. . . ход

4.3. Результаты исследования поверхностного перекрытия твердой изоляции в азоте при кратковременном приложении напряжения промышленной частоты. Ш

4.4. Исследования зависимостей электрической прочности промежутков с жидким азотом от времени воздействия напряжения.

4.5. Выводы.

5. Выбор изоляции и методика высоковольтных испытаний промежутков с жидким азотом.

5.1. Методика выбора уровня и характеристик электрической прочности изоляции промежутков с жидким азотом

5.2. Методика контроля загрязнений в жидком азоте.

Краткая характеристика проблемы. Постоянной тенденцией развития энергетики является повышение единичных мощностей агрегатов, вырабатывающих электрическую энергию, и линий для передачи этой энергии. В связи с этим в последние годы большое внимание уделяется созданию энергетических устройств с охлаждением токонесущей системы до криогенных температур, что позволяет существенно уменьшить габариты оборудования и улучшить его характеристики / 23,99, 61,93 /. Криогенные температуры в настоящий момент используются в промышленности, а рефрижераторное оборудование в определенных условиях обладают приемлемой надежностью / 19 /. Работы по созданию криогенного энергетического оборудования определены программой, утвержденной Постановлениями Государственного комитета по науке и технике СССР от 31.12.70 № 500 и от 24.06.73 № 178. В соответствии с этой программой, часть оборудования разрабатывается с использованием охлаждения жидким азотом, другая - с охлаждением жидким гелием. Рассматриваются использование сверхпроводящих и гиперпроводящих материалов практически во всех мощных энергетических устройствах: кабелях / 97,59,96,80,70 /, криотрансформаторах, криотурбо-генераторах / 54,25 /, криогенных индуктивных накопителях энергии / 20 /. Следует указать в связи с этим на работы, связанные с непосредственным практическим внедрением устройств в СССР / 2,46 /, США /104/, Японии /87/ и т.д. Из данных /105/ следует, что в 1990г. ожидается внедрение сверхпроводящей ЛШ, гиперпро водящие Л ЕЛ уже находятся на стадии внедрения. С другой стороны, экономический анализ /41,55,74/ показывает, что по удельным стоимостным характеристикам уже цри современном развитии техники электрическое оборудование, охлажденное до криотемператур, при определенной величине мощности аппарата, является экономически целесообразным. В комплексе вопросов, связанных с разработкой этого оборудования, важное место занимает и электрическая изоляция, особенностью которой является то, что она работает в новых температурных условиях. Следует выделить ряд факторов, которые необходимо учитывать при разработке изоляционных узлов, работающих при криогенной температуре;- существенное увеличение передаваемой мощности и токов обусловливает и рост механических нагрузок на диэлектрик;- каждое криогенное устройство окружено вакуумной теплоизоляцией, следовательно, разборка-сборка узла является чрезвычайно сложной операцией;- существенное изменение теплофизических и механических параметров диэлектриков при криотемпературах требует исследования и отработки узлов в режимах, моделирующих реальные рабочие условия по температурным, электрическим и механическим воздействиям.

Этот перечень показывает, что имеется практическая потребность в создании стендовых установок, позволяющих провести всесторонние испытания различных вариантов конструкций изоляционных узлов при разного рода электрических, тепловых и механических воздействиях. И если ранее большие криогенные системы со сверхпроводящими и гиперпроводящими материалами использовались в экспериментальной физике, ще допустимы неоптимизированные технические решения, то перспектива промышленного использования криоэнергетических устройств требует тщательной экспериментальной отработки всех узлов этого оборудования. Сложившаяся практика экспериментальных исследований в криогенной технике показывает, что рациональным является проведение испытаний в жидком азоте. В тех случаях, когда испытывается изоляция, и, следовательно, в криостатируемую систему вводится высокое напряжение, правомерна идея о возможности использования охлаждающей среды, т.е. жидкого азота, протекающего впромежутках и каналах, одновременно и как изолирующей, и как хла-доагента /33/. Поскольку электрическая прочность таких каналов в большинстве случаев, зависит от процессов в жидкости, заполняющей канал, возникла задача определения электрической прочности промежутка с жвдким азотом. Жидкий азот исследуется еще и потому, что он является самым распространенным хладоагентом и используется для охлаждения устройств, содержащих гиперпроводящие материалы, например, гиперпроводящих 1ЗД.

Цель настоящей работы: - разработка научно-обоснованных рекомендаций для конструирования высоковольтных криогенных испытательных стендов, использувдих промежутки, заполненные азотом, на основе исследований электрической прочности промежутков при варьировании различных параметров; - разработка методических основ расчета уровня изоляции и характеристик электрической прочности изоляционных промежутков с азотом при криогенных температурах.

С другой стороны, исследования электрической прочности азота при криогенных температурах имеют и определенное научное значение. Это связано с тем, что азот при нормальной (комнатной) температуре исследован достаточно детально, поэтому сопоставление данных,полученных при существенно различающихся температурах позволит более полно выявить влияние глубокого охлаждения на электрическую прочность газов. Следовательно, результаты исследования азота, полученные в данной работе, позволят расширить знания по физике газового разряда и разряда в жидкости в окрестности кривой фазового перехода, а также и цри сверхкритических термодинамических параметрах среды.

Анализ изученности вопроса электрической прочности азота при криогенных температурах, проведенный в главе I, показывает, что имеется мало экспериментального материала по статистическим характеристикам зажигания разряда и пробоя, а из сопоставления этих данных следует, что имеются противоречия не только количественного, но и качественного характера. Последнее свидетельствует о том, что известные исследования проведены по различным методикам и при этом были случайные факторы, которые не учитывались при испытаниях. К главным из них, как установлено в настоящей работе, следует отнести примеси и загрязнения, а также интенсивность кипения жидкости.

Несмотря на то, что известные для комнатных температур теории пробоя газов и жидкостей могут быть распространены и на область криогенных температур, тем не менее отсутствие данных, уточняющих ряд констант и параметров не позволяет получить аналитические соотношения для расчета характеристик электрической прочности промежутков с жидким азотом. Последние необходимы как для "чистых" лабораторных исследований, так и для "грязных", характерных для технического применения. Оторванность друг от друга указанных исследований не позволяет получить полной картины формирования и развития разряда. Нет данных по функциям распределения пробивных напряжений, это не позволяет осуществить обоснованный выбор уровня изоляции. Исходя из изложенного состояния изученности проблемы, а также учитывая потребность изыскания путей повышения эффективности высоковольтного испытательного криогенного оборудования, выбраны следущие направления исследований";- Изучение методик экспериментальных исследований электрической прочности азота при криогенных температурах и создание испытательной установки, обеспечивающих воспроизводимость результатов и стабильность режимов.- Исследования влияния на характеристики электрической прочности промежутков с азотом термодинамических параметров, размера и материала электродов, а также других факторов, характерных для применения промежутков при криогенных температурах.- Получение экспериментальных данных по пробою промежутков при условиях, соответствующих техническому применению.- Разработка методических основ расчета уровня изоляции и характеристик электрической прочности изоляционных конструкций, а также способов их испытаний в азоте при криотемпературах.

Краткая характеристика работы. Основное содержание работы изложено в пяти главах. Первая глава посвящена литературному обзору и постановке задач исследований. Описаны характеристики состояния азота при криогенных температурах, приведены соотношения, характеризующие его физические и теплофизические параметры. Приводится обзор основных явлений в разрядном промежутке при нормальной температуре, определявших формирование разряда. Даны представления о механизме пробоя жидких и газообразных диэлектриков, из рассмотрения которых следует, что без уточнения процессов в условиях криогенных температур, нельзя получить формулы расчета характеристик электрической прочности. Б обзоре экспериментальных работ отмечается отсутствие данных, которые можно было бы использовать для уточнения недостающих констант и для определения эмпирических соотношений. В конце главы сформулированы задачи исследований.

Во второй главе приводятся результаты исследований электрической прочности сжатого азота, полученного ожижением чистого газа, при плавном подъеме напряжения промышленной частоты. Дано описание экспериментальной установки и обоснование методики испытаний. Получены данные, характеризующие зависимость электрической прочности от давления для паров азота, жидкого азота в режиме насыщения и в однофазном состоянии при 78К при использовании различных материалов электродов и степени чистоты их поверхности. Крометого5произведена оценка влияния примесей и интенсивности кипения в жидкой фазе.

Полученные данные послужили основой для рассмотрения явлений при разряде в азоте при криотемпературах, анализ которых проведен в главе 3, как для паров азота, так и для жидкой фазы. При этом показано, что и при криогенных температурах в газовой фазе выполняются известные законы газового разряда. Уточненные константы, характеризующие закон подобия разрядов и условия самостоятельности для насыщенных паров азота, позволили получить формулы, характеризующие электрическую прочность промежутков. Используя результаты исследований разрядных напряжений как в жидкой фазе, так и в парах при высокой плотности, получены эмпирические соотношения для расчета электрической прочности промежутков с азотом. Проведен анализ обнаруженных увеличенных, в сравнении с комнатными температурами, значений разбросов пробивных напряжений, получено выражение, характеризующее указанный процесс.

Однако предложенный механизм разряда и расчетные соотношения не могут быть использованы для расчетов электрической прочности в технических условиях. В связи с этим были проведены специальные исследования влияний на характеристики электрической прочности ряда параметров, имеющих место при техническом применении жидкого азота. Эти сведения приведены в главе 4. На основании экспериментальных данных получены эмпирические зависимости коэффициентов, учитывающих: влияние на электрическую прочность размеров и геометрии электродов; эффект размещения в промежутке твердой изоляции; время приложения напряжения, а также параметра, характеризующего концентрацию примесей и загрязнений.

В пятой главе рассматривается инженерная методика определения характеристик электрической прочности, т.е. создание расчетных методов выбора уровня изоляции при заданных параметрах хладоагента. Расчет пробивных напряжений основывается на выражениях, полученных в главе 3 при использовании предложенных механизмов разряда, а также поправочных коэффициентов, приведенных в главе 4, учитывающих особенности технического применения азота при криотемпературах. В главе пятой разработаны рекомендации по выбору оборудования для испытаний изоляции криоэлектротехнических изделий.

Кроме пяти глав в работе содержится заключение, где даются основные выводы, а также приложения, куда вынесены данные экспериментов, вывод формул, а также практические документы по результатам внедрения.

Методы исследований. В работе использовались экспериментальные и теоретические методы, включая расчет и моделирование термодинамических процессов, обеспечивающих получение плотности азота, стабильной во времени и однородной по объему, а также исследование и анализ процессов формирования разряда в азоте при криотемпе-ратуре в паровой и жидкой фазах.

Практическая ценность работы.- Разработаны, изготовлены и внедрены высоковольтные криогенные. стенды для испытаний различных изоляционных конструкции.- Определены характеристики электрической прочности технического жидкого азота в условиях предполагаемого применения, установлено, что факторами, определяющими снижение электрической прочности, являются примеси и загрязнения, интенсивность кипения, а также время приложения напряжения.- Разработаны инженерные методики расчета уровня изоляции и электрической прочности изоляционных конструкций, содержащих промежутки с жидким азотом.

Внедрение результатов работ. Разработанная по результатамнастоящих исследований конструкторско-технологическая документация, содержащая инженерные методики расчета изоляции, а также методики испытаний изоляционных конструкций, используются в СКТБ ВКТ Мосэнерго, а также переданы во ВНИИКП. В соответствии с указанной документацией, в СКТБ ВКТ Мосэнерго изготовлены высоковольтные стенды и установки, которые применяются для отработки и испытаний макетов криогенной электрической изоляции. Кроме того, криогенные высоковольтные испытательные установки разработаны и поставлены во ВНШЭИМ и СибНИИЭ.

На защиту выносятся следующие результаты:- Результаты исследований электрической прочности промежутков с азотом в жидкой и паровой (газовой) фазах и установление закономерностей ее изменений в широком диапазоне изменения термодинамических параметров и других влияющих факторов.- Методика оценки уровня электрической изоляции промежутков с жидким азотом, комплекс оборудования и методики высоковольтных испытаний криогенных изоляционных конструкций.- Обоснование возможности применения закона подобия и условия самостоятельности разряда для паров азота и разработка на этой основе методик оценки характеристик электрической прочности.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:- Установлена зона изменения термодинамических параметров азота, включая и сверхкритическую, в которой достигается наивысшая электрическая прочность промежутка.- Определены граничные значения термодинамических параметров, с превышением которых в азоте при криогенной температуре электрическая прочность промежутка зависит от материала электродов, экспериментально определены значения коэффициентов длярасчета пробивных напряжений промежутков с азотом при криогенных температурах.- На основе результатов исследований электрической прочности промежутков с техническим жидким азотом получены поправочные коэффициенты, учитывающие: время приложения напряжения, различную концентрацию и тип примесей, размеры электродной системы, а также движение изоляционной среды в широких пределах изменения давления и плотности для ламинарного и турбулентного режимов течения.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:- на первой всесоюзной научно-технической конференции по криогенной технике (г.Москва, 1973 г.);- на совещании экспертов по вопросам сверхпроводящих кабелей (г.Нью-Йорк, Б.Н.Л., 1974 г.);- на Ш-м Советско-американском симпозиуме по сверхпроводящим ЛЭП (г.Москва, 1975 г.);- на 5-й секции научно-технического совета по физико-техническим проблемам энергетики АН СССР (г.Москва, 1974 г.);- на конференции по высоковольтной изоляции для криогенных температур (ПНР, г.Вроцлав, 1976 г.);- на конференции по свойствам диэлектрических и конструкционных материалов для криогенных ЛЗП (г.Москва, 1978 г.).

Публикации. По результатам работ сделано 9 публикаций.

Общий объем. Содержание работы изложено на Ц2 стр.машинописного текста и иллюстрируется 59 рисунками и 14 таблицами.

Работа состоит из введения и пяти глав, списка литературы из 120 наименований и 4-х приложений, куда вынесены некоторые экспериментальные данные, результаты расчетов, а также документы, подтверждающие внедрение.

5.4. Выводы

1. Получены расчетные соотношения для оценки уровня изоляции и характеристик электрической прочности в конструкциях, содержащих изоляционные промежутки с жидким азотом для предполагаемого технического применения.

2. Изоляционные промежутки с жидким азотом эффективны в конструкиях аппаратов до 35 кВ, для более высоких классов напряжений применение промежутков должно быть ограничено; габариты изоляционных промежутков с жидким азотом определяются длительным приложением напряжения промышленной частоты.

3. Предложена практическая методика контроля примесей в используемом жидком азоте.

4. Разработана конструкторско-технологическая документация по методике высоковольтных испытаний изоляционных элементов и по оборудованию для этих испытаний; даны рекомендации по рациональному использованию различных схем построения высоковольтных криогенных установок, приведены результаты их испытаний.