PL224090B1 - Warstwa ochronna do tłumienia wysokoczęstotliwościowych przepięć - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest warstwa ochronna do tłumienia wysokoczęstotliwościowych przepięć w rozdzielnicy izolowanej gazem typu GIS (Gas-Insulated Switchgear).

W rozdzielnicach izolowanych gazem SF6 (typu GIS) występują przebicia przerwy międzystykowej w trakcie operacji otwierania i zamykania aparatów łączeniowych. Każde przebicie skutkuje powstaniem przepięcia propagującego się wzdłuż szynoprzewodów rozdzielnicy oraz powodującego naprężenie izolacji urządzeń oraz ryzyko jej przebicia. W związku z tym stosuje się różne metody zmniejszania wartości amplitudy przepięć powstałych w wyniku operacji odłącznika typu GIS.

Z opisu patentowego DE3216275 znane jest urządzenie, w którym na zewnętrznej powierzchni przewodnika szynoprzewodu GIS umieszczono materiał rezystywno-magnetyczny, w którym wytracana jest energia związana z propagującą się falą przepięciową, a tym samym ograniczana jest amplituda fali przepięciowej. Niedogodnością rozwiązania przedstawionego w opisie DE3216275 jest to, że zastosowano w tym rozwiązaniu cząstki materiału magnetycznego o rozmiarze wynoszącym od 1 μm do 20 μm. Zastosowanie cząstek materiału magnetycznego o takich wymiarach nie pozwala na uzyskanie korzystnej orientacji cząstek przy użyciu metody mechanicznej w trakcie nakładania materiału na przewodnik szynoprzewodu lub na inne elementy konstrukcji rozdzielnicy, a wymaga dodatkowych zabiegów w celu korzystnej orientacji cząstek materiału magnetycznego w polu magnetycznym skojarzonym z propagującą się w szynoprzewodzie falą przepięciową.

Z opisu patentowego JP2012-217308 znana jest rozdzielnica, w której przewodnik szynoprzewodu umieszczony w obudowie wypełnionej gazem SF6, pokryty jest cienką warstwą rezystywną utworzoną z materiału w postaci mieszaniny żywicy i materiału proszkowego o rezystywności p

11 w granicach 10 -10 [Ω-cm]. Niedogodnością przedstawionego rozwiązania jest to, że zastosowany w nim materiał charakteryzuje się tylko rezystywnością, a nie posiada właściwości magnetycznych. Zastosowanie materiału bez właściwości magnetycznych nie pozwala na uzyskanie efektu tłumienia wskutek wytracania energii fali przepięciowej na straty histerezy, charakterystyczne dla materiałów magnetycznych.

Z opisu patentowego JP07-007835 znana jest rozdzielnica izolowana gazem, która zawiera urządzenie do tłumienia przepięć, które umieszcza się na zewnętrznej powierzchni przewodnika szynoprzewodu, umieszczonego w obudowie wypełnionej gazem SF6. Urządzenie do tłumienia przepięć ma formę tworzące warstwę rezystywno-magnetyczną pierścieniowego cylindra, na którym umieszczone są naprzemiennie warstwy izolacji oraz uzwojeń przewodzących oddzielonych od siebie. Obudowa cylindra wykonana jest z materiału żywicznego. Na szynoprzewodzie rozdzielnicy można umieścić wiele identycznych urządzeń do tłumienia przepięć. Niedogodnością rozwiązania przedstawionego w opisie patentowym JP07-007835 jest to, że warstwy izolacyjne, oddzielające warstwy materiału magnetycznego, nie posiadają właściwości materiału rezystywnego, a zatem nie powodują dodatkowego efektu tłumienia fali elektromagnetycznej wskutek prądów wirowych powstających w materiale rezystywnym .

Nieoczekiwanie okazało się, że istnieje prosta metoda do wytłumiania przepięć, polegająca na nałożeniu na przewód HV materiału już znanego i wykorzystywanego jako rdzenie w transformatorach mocy, przekładnikach napięciowych, przekładnikach prądowych, dławikach, filtrach, itp. Takie rdzenie wykonane są z materiału magnetycznego nanokrystalicznego lub amorficznego, przykładowo z materiału nanokrystalicznego o składzie chemicznym, gdzie ponad 60% stanowi żelazo (Fe), 10-20% krzem (Si), 0.1-2% miedź (Cu), 5-20% bor (B) oraz 0.1-10% co najmniej jednego pierwiastka wybranego z pośród niobu, tytanu, cyrkonu, wanadu, tantalu, chromu, molibdenu, wolframu i manganu.

Istotą warstwy ochronnej według wynalazku, zawierającej podłoże i wypełniacz magnetyczny, tworzące warstwę rezystywno-magnetyczną, jest to, że wypełniacz stanowi cząstki o wymiarach 1-10 mm, które utworzone są z magnetycznych rdzeni nanokrystalicznych, amorficznych lub rdzeni mieszanych przez pokruszenie rdzeni, a następnie ich przesianie do odpowiednich frakcji oraz zatopienie przesianych cząstek w materiale rezystywnym w ilości co najmniej 75% wagowych w stosunku do masy materiału rezystywnego, a podłoże stanowi materiał rezystywny w postaci żywicy zawierającej proszek węglowy w ilości co najmniej 10% wagowych.

Korzystnie rdzenie nanokrystaliczne przeznaczone do utworzenia wypełniacza w warstwie ochronnej, zawierają żelazo w ilości ponad 60% wagowych, krzem w ilości 10-20% wagowych, miedź w ilości 0.1-2% wagowych, bor w ilości 5-20% procent wagowych oraz 0.1-10% wagowych co najPL 224 090 B1 mniej jednego pierwiastka wybranego z spośród niobu, tytanu, cyrkonu, wanadu, tantalu, chromu, molibdenu, wolframu i manganu.

Korzystnie wypełniacz w warstwie ochronnej zawiera 84% wagowych żelaza, 8.5% wagowych krzemu, 1.5% wagowych miedzi, 4.5% wagowych niobu oraz 1.5% wagowych boru.

Korzystnie warstwa ochronna umieszczona jest na elementach toru prądowego rozdzielnicy GIS (Gas Insulated Switchgear), znajdującego się w obudowie rozdzielnicy szczelnie wypełnionej gazem izolującym.

Korzystnie warstwa rezystywno-magnetyczna umieszczona jest bezpośrednio na zewnętrznej powierzchni przewodnika szynoprzewodu rozdzielnicy.

Alternatywnie warstwa rezystywno-magnetyczna umieszczona jest na zewnętrznej powierzchni przewodnika szynoprzewodu w przedziale szynoprzewodu za pośrednictwem warstwy izolacyjnej.

Korzystnie warstwa rezystywno-magnetyczna umieszczona jest bezpośrednio na wewnętrznej powierzchni obudowy szynoprzewodu w przedziale szynoprzewodu.

Alternatywnie warstwa rezystywno-magnetyczna umieszczona jest na wewnętrznej powierzchni obudowy szynoprzewodu w przedziale szynoprzewodu za pośrednictwem warstwy izolacyjnej.

Korzystnie materiał warstwy rezystywno-magnetycznej wykorzystuje się jako wypełnienie osłony, stanowiącej element toru prądowego rozdzielnicy, usytuowany w przedziale odłącznika.

Istotą wynalazku jest ponadto zastosowanie magnetycznych rdzeni nanokrystalicznych i/lub amorficznych po ich pokruszeniu do cząstek o wymiarach 1-10 mm jako wypełniacz rezystywnego podłoża na bazie żywicy do wytwarzania warstwy ochronnej na elementach toru prądowego rozdzielnicy izolowanej gazem. Warstwa ochronna umieszczona jest na zewnętrznej powierzchni przewodnika szynoprzewodu i/lub wewnętrznej powierzchni szynoprzewodu rozdzielnicy.

Istotą wynalazku jest także zastosowanie magnetycznych rdzeni nanokrystalicznych i/lub amorficznych po ich pokruszeniu do cząstek o wymiarach 1-10 mm jako wypełniacz rezystywnego podłoża na bazie żywicy do wytwarzania wypełnienia osłon stanowiących element toru prądowego rozdzielnicy, który usytuowany jest w przedziale odłącznika toru prądowego rozdzielnicy izolowanej gazem.

Zaletą wynalazku jest uzyskanie w prosty technologicznie sposób warstwy ochronnej dla elementów toru prądowego rozdzielnicy izolowanej gazem, pozwalający na zmniejszenie amplitudy i/lub stromości wysokoczęstotliwościowych przepięć. Wykorzystanie cząstek uzyskanych z gotowych rdzeni magnetycznych poddanych uprzednio obróbce termicznej i/lub magnetycznej jako wypełniacza podłoża rezystywnego znacznie ułatwia wykonanie warstwy ochronnej w optymalnym kształcie pożądanym dla elementów rozdzielnicy izolowanej gazem typu GIS.

Przykładowe wykonanie wynalazku przedstawione jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia fragment toru prądowego rozdzielnicy izolowanej gazem, zawierający elementy toru prądowego z warstwą ochronną według wynalazku, fig. 2 - fragment toru prądowego rozdzielnicy izolowanej gazem, zawierający elementy toru prądowego z warstwą ochronną według wynalazku oraz warstwą pośrednią, fig. 3 - fragment toru prądowego rozdzielnicy izolowanej gazem, zawierający elementy toru prądowego z warstwą ochronną według drugiego wykonania wynalazku, fig. 4 - fragment toru prądowego rozdzielnicy izolowanej gazem, zawierający elementy toru prądowego z warstwą ochronną według drugiego wykonania wynalazku oraz z warstwą pośrednią, a fig. 5 - przedstawia wykres przebiegów napięcia przed zastosowaniem i po zastosowaniu warstwy ochronnej według wynalazku.

Fragment toru prądowego rozdzielnicy izolowanej gazem GIS (Gas Insulated Switchgear) obejmujący elementy toru prądowego w postaci przedziału szynoprzewodu 1 oraz przedziału odłącznika 2 przedstawiony jest na rysunku. Przedział szynoprzewodu zawiera obudowę przewodzącą 3 oraz przewodnik 4, który umieszczony jest w przestrzeni szynoprzewodu, szczelnie wypełnionej gazem izolującym 5, korzystnie gazem SF6. W przedziale odłącznika 2, również szczelnie wypełnionym gazem izolującym 5 usytuowany jest styk ruchomy 5 oraz styk nieruchomy 8 odłącznika, które umieszczone są na końcach przewodnika 4 i zaznaczone są jedynie symbolicznie na rysunku. Styki 8 i 7 wyposażone są w metalowe osłony 8 rozmieszczone promieniście wokół końców przewodnika 4, służące do kształtowania rozkładu pola elektrycznego wokół styków 8 i 7. Na zewnętrznej powierzchni przewodnika 4 i/lub na wewnętrznej powierzchni obudowy 3 usytuowana jest warstwa ochronna w postaci rezystywno-magnetycznej warstwy ochronnej 9, 9a odpowiednio. Warstwa ochronna 9 usytuowana jest bezpośrednio na powierzchni zewnętrznej przewodnika 4, a warstwa ochronna 9a usytuowana jest na powierzchni wewnętrznej obudowy 3. Możliwe jest nałożenie warstwy ochronnej na powierzchnię warstwy pośredniej 10 lub 10a wykonanej z materiału izolacyjnego, przykładowo

PL 224 090 B1 z preszpanu, która przylega do zewnętrznej powierzchni przewodnika 4 lub wewnętrznej powierzchni obudowy 3, odpowiednio (fig. 2).

W drugim wykonaniu wynalazku warstwa ochronna 9, 9a nałożona jest na przewodnik i/lub wewnętrzną powierzchnię obudowy albo na warstwę pośrednią 10, 10a w sposób nieciągły tzn. nie obejmujący całej powierzchni zewnętrznej wzdłuż przewodnika 4 lub całej powierzchni wewnętrznej wzdłuż obudowy 3, a jedynie fragmenty tej powierzchni, co jest uwidocznione na fig. 3.

Ponadto w obu wykonaniach wynalazku materiał z którego wykonana jest warstwa ochronna 9 lub 9a może być wykorzystany jako materiał wypełniający wnętrze metalowej osłony 8 styków 6 i 7 w przedziale odłącznika 2, stanowiąc wypełnienie 9b osłony 8.

W obu wykonaniach wynalazku warstwa ochronna 9, 9a wykonana jest z materiału uzyskanego z rozkruszenia znanych magnetycznych rdzeni nanokrystalicznych i/lub amorficznych na cząstki o wielkości 1-10 mm, które następnie zatapia się w ilości co najmniej 75% wagowych w materiale rezystywnym w postaci żywicy, korzystnie żywicy epoksydowej zawierającej proszek węglowy w ilości co najmniej 10% wagowych. Krusząc magnetyczne rdzenie na elementy o zadanych wielkościach, a następnie przesiewając te elementy przez sita o zadanej frakcji otrzymuje się cząstki, które nastę pnie wykorzystuje się jako wypełniacz podłoża wykonanego z żywicy zawierającej materiał re zystywny. Przykładowy skład chemiczny rdzeni nanokrystalicznych jest następujący: ponad 60% - żelazo (Fe), 10+20% krzem (Si), 0.1+2% miedź (Cu), 5+20% bor (B) oraz 0.1+10% co najmniej jednego pierwiastka wybranego z spośród: niobu, tytanu, cyrkonu, wanadu, tantalu, chromu, molibdenu, wolframu i manganu. Warstwa ochronna 9, 9a stanowi rezystywno-magnetyczną warstwę przewodnika 4 lub obudowy 3. Obecność cząstek według wynalazku w warstwie ochronnej powoduje, że podczas propagacji fali przepięciowej wzdłuż przedziałów szynoprzewodu energia fali jest skutecznie wygaszana w materiale warstwy ochronnej 9, 9a ze względu na występowanie w warstwie ochronnej prądów wirowych i zjawiska histerezy.

Podobnie wypełnienie osłony metalowej 8 styków 6 i 7 materiałem 9b o identycznych własnościach jak materiał warstwy ochronnej 9, 9a powoduje wygaszenie energii przepięć w przedziale odłącznika podczas operacji otwierania i zamykania odłącznika.

Dopuszczalna jest dowolna kombinacja umiejscowienia warstwy ochronnej 9 na przewodniku 4, warstwy ochronnej 9a na wewnętrznej powierzchni obudowy 3 oraz jako materiał wypełniający 9b metalowej osłony 7.

Wytwarzanie warstwy ochronnej według wynalazku polega na rozdrobnieniu magnetycznych rdzeni nanokrystalicznych i/lub amorficznych na cząstki o wielkości 1-10 mm, które następnie zatapia się w ilości co najmniej 75% wagowych w materiale rezystywnym w postaci żywicy, korzystnie żywicy epoksydowej zawierającej co najmniej 10% wagowych proszku węglowego. Następnie tak przygotowany materiał nakłada się na powierzchnie przewodnika 4 szynoprzewodu lub na wewnętrzną powierzchnię obudowy 3 szynoprzewodu tworząc warstwę ochronną 9, 9a w sposób bezpośredni albo poprzez warstwę pośrednią 10, 10a, którą nanosi się wcześniej na odpowiednie powierzchnie przewodnika 4 lub obudowy 3. W procesie nakładania, cząstki orientowane są względem szynoprzewodu w korzystny sposób, tak że ich powierzchnie układają się w przybliżeniu równolegle do powierzchni przewodnika szynoprzewodu, a wzdłuż linii indukcji pola magnetycznego skojarzonego z falą przepięciową propagującą się wzdłuż przewodnika szynoprzewodu. Powłoka ochronna 9, 9a na przewodniku lub na wewnętrznej powierzchni obudowy umiejscowiona jest w środowisku gazu izolacyjnego. Podczas występowania przepięć w rozdzielnicach i propagacji przepięć wzdłuż szynoprzewodu toru prądowego, cząstki magnetyczne pochodzące z materiału rozkruszonych rdzeni mają tendencję do pochłaniania energii fali przepięciowej, co powoduje zmniejszenie wartości przepięć. Ponadto wykorzystując cechy materiału przeznaczonego na warstwy ochronne 9, 9a stosowane w przedziale szynoprzewodu 1, w przedziale odłącznika 2, stosuje się materiał warstwy ochronnej w postaci wypełnienia 9b osłon ekranujących 8.

Przeprowadzono eksperyment, w którym falę przepięciową wytworzono w iskierniku, pełniącym rolę odłącznika 2, umieszczonym w torze prądowym szynoprzewodu w izolacji gazowej SF6 i nie zawierającego warstwy ochronnej na przewodniku 4. Przeskok napięcia powodował powstanie fali przepięciowej o parametrach analogicznych do występujących w rzeczywistych rozdzielnicach GIS. Przebicie iskiernika występowało przy napięciu 220 kV, powodując powstanie fali przepięciowej propagującej się wzdłuż układu przedziału szynoprzewodu. W pierwszej próbie przebieg napięcia rejestrowano w określonym przedziale czasowym jako napięcie referencyjne. W kolejnej próbie falę przepięciową wytworzono w iskierniku, umieszczonym w torze prądowym szynoprzewodu w izolacji gazowej SF6,

PL 224 090 B1 gdzie przewodnik 4 pokryty był warstwą rezystywno-magnetyczną według wynalazku o grubości

12,5 mm. Przebicie iskiernika 2 występowało przy napięciu 220 kV, powodując powstanie fali przepięciowej propagującej się wzdłuż przewodnika przedziału szynoprzewodu. Przebieg napięcia rejestrowano w określonym przedziale czasowym, takim samym jak dla próby bez zastosowania warstwy ochronnej. Wyniki pomiarów przedstawiono na fig. 4. Porównanie przebiegu napięcia przedstawionego linią A bez zastosowania warstwy ochronnej z przebiegiem napięcia przedstawionego linią B z zastosowaniem warstwy ochronnej wyraźnie wskazuje na wystąpienie efektu tłumienia przepięć propagowanych wzdłuż przewodnika w przedziale szynoprzewodu.

Claims (11)

1. Warstwa ochronna do tłumienia wysokoczęstotliwościowych przepięć propagowanych w rozdzielnicy GIS (Gas Insulated Switchgear), zawierająca podłoże i wypełniacz magnetyczny, tworzące warstwę rezystywno-magnetyczną (9, 9a), znamienna tym, że wypełniacz stanowią cząstki o wymiarach 1-10 mm, które utworzone są z magnetycznych rdzeni nanokrystalicznych, amorficznych lub ich mieszaniny przez pokruszenie rdzeni, a następnie ich przesianie do odpowiednich frakcji oraz zatopienie przesianych cząstek w materiale rezystywnym w ilości co najmniej 75% wagowych w stosunku do masy materiału rezystywnego, przy czym podłoże stanowi materiał rezystywny w postaci żywicy zawierającej proszek węglowy w ilości co najmniej 10% wagowych.

2. Warstwa ochronna według zastrz. 1, znamienna tym, że rdzenie nanokrystaliczne przeznaczone do utworzenia wypełniacza zawierają żelazo w ilości ponad 80% wagowych, krzem w ilości 10+20% wagowych, miedź w ilości 0.1+2% wagowych, bor w ilości 5+20% procent wagowych oraz 0.1+10% wagowych co najmniej jednego pierwiastka wybranego z spośród: niobu, tytanu, cyrkonu, wanadu, tantalu, chromu, molibdenu, wolframu i manganu.

3. Warstwa ochronna według zastrz. 2, znamienna tym, że wypełniacz zawiera 84% wagowych żelaza, 8.5% wagowych krzemu, 1.5% wagowych miedzi, 4.5% wagowych niobu oraz 1.5% wagowych boru.

4. Warstwa ochronna według zastrz. 1, znamienna tym, że umieszczona jest na elementach toru prądowego rozdzielnicy GIS (Gas Insulated Switchgear), znajdującego się w obudowie rozdzielnicy szczelnie wypełnionej gazem izolującym.

5. Warstwa ochronna według zastrz. 4, znamienna tym, że warstwa rezystywno-magnetyczna (9) umieszczona jest bezpośrednio na zewnętrznej powierzchni przewodnika szynoprzewodu (4).

6. Warstwa ochronna według zastrz. 4, znamienna tym, że warstwa rezystywno-magnetyczna (9) umieszczona jest na zewnętrznej powierzchni przewodnika szynoprzewodu (4) w przedziale szynoprzewodu (1) za pośrednictwem warstwy izolacyjnej (10).

7. Warstwa ochronna według zastrz. 4, znamienna tym, że warstwa rezystywno-magnetyczna (9a) umieszczona jest bezpośrednio na wewnętrznej powierzchni obudowy (3) szynoprzewodu w przedziale szynoprzewodu (1).

8. Warstwa ochronna według zastrz. 4, znamienna tym, że warstwa rezystywno-magnetyczna (9a) umieszczona jest na wewnętrznej powierzchni obudowy (3) szynoprzewodu w przedziale szynoprzewodu (1) za pośrednictwem warstwy izolacyjnej (10a).

9. Warstwa ochronna według zastrz. 4, znamienna tym, że materiał warstwy rezystywnomagnetycznej (9) lub (9a) wykorzystuje się jako wypełnienie (9b) osłony (8), stanowiącej element toru prądowego rozdzielnicy, usytuowany w przedziale odłącznika (2).

10. Zastosowanie magnetycznych rdzeni nanokrystalicznych, amorficznych lub mieszaniny takich rdzeni, po ich pokruszeniu do cząstek o wymiarach 1-10 mm jako wypełniacz rezystywnego podłoża na bazie żywicy do wytwarzania warstwy ochronnej (9, 9a) dla elementów toru prądowego rozdzielnicy izolowanej gazem GIS w przedziałach (1) szynoprzewodu toru prądowego rozdzielnicy izolowanej gazem.

11. Zastosowanie magnetycznych rdzeni nanokrystalicznych i/lub amorficznych po ich pokruszeniu do cząstek o wymiarach 1-10 mm jako wypełniacz rezystywnego żywicznego podłoża na bazie żywicy do wytwarzania wypełnienia (9b) osłon (8) stanowiących element toru prądowego rozdzielnicy, który usytuowany jest w przedziale odłącznika (2) toru prądowego rozdzielnicy izolowanej gazem.