RU143414U1

RU143414U1 - Лимитирующий резистор

Info

Publication number: RU143414U1
Application number: RU2013122964/07U
Authority: RU
Inventors: Иван Егорович Наумкин
Original assignee: Иван Егорович Наумкин
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2014-07-20

Abstract

1. Лимитирующий резистор, выполненный из двух резистивных материалов, отличающийся тем, что одна составляющая часть резистора выполнена из резистивного материала с линейными проводящими свойствами, а другая составляющая часть резистора выполнена из резистивного материала с нелинейными проводящими свойствами, зависящими от приложенного напряжения, причем составляющие части резистора выполнены таким образом, что при напряжении на резисторе, меньшем наибольшего рабочего напряжения, сопротивление части резистора с нелинейными проводящими свойствами больше сопротивления части резистора с линейными проводящими свойствами, а при напряжении на резисторе, большем этого значения, сопротивление части резистора с нелинейными проводящими свойствами равно или меньше сопротивления части резистора с линейными проводящими свойствами.2. Лимитирующий резистор по п.1, отличающийся тем, что он сформирован в виде круглого диска с общими для составляющих частей резистора плоскими контактными поверхностями, расположенными от одной контактной поверхности до другой, а площади этих составляющих частей неизменны в любом сечении резистора.3. Лимитирующий резистор по п.2, отличающийся тем, что контактные поверхности металлизированы.4. Лимитирующий резистор по п.3, отличающийся тем, что части диска, выполненные из резистивного материала с линейными проводящими свойствами и резистивного материала с нелинейными проводящими свойствами, расположены соосно.5. Лимитирующий резистор по п.4, отличающийся тем, что диск выполнен со сквозным отверстием по оси.6. Лимитирующий резистор по п.4 или 5, отличающийся тем, что он сформирован из по�

Description

Полезная модель относится к области электроэнергетики и может быть использована в электроэнергетических системах в конструкциях резисторных устройств.

Из существующего уровня техники известны линейные силовые резисторы [Врублевский Л.Е., Зайцев Ю.В., Тихонов А.И. Силовые резисторы. М.: Энергоатомиздат, 1991] и ограничители перенапряжений нелинейные (ΟΠΗ) [Volker Hinrichsen. Metal-Oxide Surge Arrester. Part 1: Fundamentals. Siemens AG. Berlin. 2001].

Линейные силовые резисторы обладают линейной вольт-амперной характеристикой с пропорциональной зависимостью тока через резистор IR от приложенного напряжения к резистору UR:

где R_л - активное сопротивление линейного силового резистора; I_R, U_R - действующие значения синусоидальных токов и напряжений. Вьфажение (1) справедливо также и для мгновенных значений тока I_R и напряжения U_R.

Если источник питания имеет сопротивление Ζ и напряжение источника питания U_И, то

При этом

При R_л→∞U_R-U_И, при R_л→0 U_R→0, т.е. напряжение на резисторе при уменьшении R_л может уменьшаться от максимального значения U_И до 0.

Нелинейные резисторы типа ΟΠΗ обладают нелинейной вольт-амперной характеристикой, обычно представляемой в виде:

или

где U_б, I_б - базисные значения напряжения и тока, выбранные на вольт-амперной характеристике ΟΠΗ в некоторой точке; показатель степени вольт-амперной характеристики α≈0,04…0,05.

Нелинейная зависимость тока от напряжения представляется в виде:

а зависимость сопротивления от напряжения:

где R_б=U_б/I_б. В справочных данных по параметрам ΟΠΗ приводятся значения напряжения (называемые остающимися напряжениями) при определенных значениях тока коммутационных и грозовых импульсов. За базисные значения U_б, I_б обычно принимаются эти известные значения. Поскольку показатель степени (1/α-1)~24, то при u_R<U_б сопротивление ΟΠΗ по отношению к R_б велико (например, при u_R=0,8U_б сопротивление RH-210 R_б), а при u_R>U_б сопротивление ΟΠΗ по отношению к R_б резко уменьшается (например, при u_R=1,2U_б сопротивление Rн=0,01 R_б).

В электроэнергетических системах устанавливаются линейные силовые резисторы, которые могут включаться параллельно ΟΠΗ, служащим защитой от импульсных коммутационных и грозовых перенапряжений. Характеристикой перенапряжений является коэффициент перенапряжения, определяемый отношением максимального мгновенного значения напряжения в точке установки электрооборудования к амплитудному значению фазного наибольшего рабочего напряжения сети U_m,фнр:

Для сетей высокого напряжения коэффициент перенапряжения k_n~1,9, поэтому ΟΠΗ будет иметь остающиеся напряжения ≥1,9U_m,фнр и базисное напряжение может быть выбрано как U_б~1,9U_m,фнр. ΟΠΗ будет проводить через себя ток только при импульсных коммутационных и грозовых напряжениях с максимальным значением свыше 1,9U_m,фнр. При синусоидальных напряжениях с амплитудой U_m<1,9U_m,фнр весь ток будет проходить через линейный резистор, в связи с чем он должен обладать повышенными энергетическими характеристиками по отношению к характеристикам, требуемым по условиям нормального режима.

Представим оценки необходимого повышения энергоемкости линейного резистора. Мощность Джоулева тепловыделения в линейном резисторе оценивается значением

Из (8) видно, что энергоемкость линейного резистора должна увеличиться в 3,6 раза, чем это требуется по условиям нормального режима , и в электрическую сеть необходимо ставить резисторы со значительно завышенными тепловыми характеристиками.

В электрической сети возможны повышения синусоидального напряжения выше наибольшего рабочего напряжения. На Фиг.1 приведены графики допустимого повышения синусоидального напряжения в сети высокого напряжения 110 кВ и выше согласно ГОСТ 1516.3-96 и рекомендуемая стандартом ANSI 62.22 характеристика «допустимое напряжение - время» (TOV) для ΟΠΗ.

Поскольку характеристика TOV лежит выше прямой допустимого повышения напряжения в сети, то ΟΠΗ будет оставаться работоспособным при всех допустимых значениях синусоидального напряжения в сети, оставаясь практически нетокопроводным. Повышенные напряжения будут увеличивать тепловыделения в линейном резисторе, увеличивая его весо-габаритные и стоимостные характеристики, что отрицательно сказывается на технико-экономических показателях работы энергосистемы.

Известна конструкция резистора (Патент RU 2176832 С2 H01C 7/04, H01C 1/082, H01C 7/12, 1998), в которой требуемые характеристики достигаются увеличением числа последовательно-параллельно соединенных плоских резистивных элементов с линейными свойствами. Недостатком данного технического решения является громоздкость конструкции резистора с большим количеством контактных соединений, что отрицательно влияет на надежность работы устройства в сетях высоких и сверхвысоких классов напряжений.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является резистор, выполненный из двух нелинейных резистивных материалов по патенту US №20030154591 A1, H01C 17/00, H01C 7/02, H01C 7/12. Недостатком данного технического решения является использование в качестве одного из резистивных материалов РТС-полимера, что ограничивает область применения резистора в сетях высокого и сверхвысокого напряжения только в качестве продольного элемента электрической сети.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является снижение тепловыделения в резисторе при напряжениях в сети выше наибольшего рабочего при использовании резистора как поперечного элемента электрической сети.

Данная задача решается заявляемым в качестве полезной модели лимитирующим резистором, выполненным из двух резистивных материалов, благодаря тому, что согласно полезной модели, одна составляющая часть резистора выполнена из резистивного материала с линейными проводящими свойствами, а другая составляющая часть резистора выполнена из резистивного материала с нелинейными проводящими свойствами, зависящими от приложенного напряжения, причем составляющие части резистора выполнены таким образом, что при напряжении на резисторе, меньшим наибольшего рабочего напряжения, сопротивление части резистора с нелинейными проводящими свойствами больше сопротивления части резистора с линейными проводящими свойствами, а при напряжении на резисторе, большим этого значения, сопротивление части резистора с нелинейными проводящими свойствами равно или меньше сопротивления части резистора с линейными проводящими свойствами. Указанное наибольшее рабочее напряжение для лимитирующего резистора называется лимитирующим напряжением резистора.

Создание лимитирующего резистора в виде круглого диска позволяет упростить технологию его выполнения.

Создание лимитирующего резистора с металлизированными контактными поверхностями позволяет снизить контактное сопротивление.

Создание лимитирующего резистора, у которого части диска из разных материалов расположены соосно, позволяет повысить качество его выполнения.

Выполнение диска со сквозным отверстием по оси позволяет снизить температуру нагрева центральной части резистора.

Формирование лимитирующего резистора из последовательно соединенных в резисторную колонку, как минимум, двух одинаковых дисков, позволяет расширить диапазон параметров резистора, в частности по максимальному значению прикладываемого к резистору напряжения.

Формирование лимитирующего резистора из объединенных в одном корпусе параллельно соединенных, как минимум, двух резисторных колонок, позволяет расширить диапазон параметров резистора, в частности по максимальному значению пропускаемого через резистор тока.

Формирование лимитирующего резистора из объединенных в одном корпусе параллельно соединенных резисторных колонок, диски в которых выполнены из одного резистивного материала, при этом часть резисторных колонок - из дисков, содержащих материал только с линейными проводящими свойствами, другая часть - из дисков, содержащих материал только с нелинейными проводящими свойствами, позволяет расширить класс применяемых материалов и диапазон параметров резистора, в частности лимитирующего напряжения.

В качестве резистивных материалов для изготовления лимитирующего резистора могут использоваться любые токопроводящие материалы, в частности композиционные и керамические материалы. В частном случае лимитирующее напряжение может быть равно наибольшему рабочему напряжению сети.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной новой совокупностью признаков, является создание для резистора линейной вольт-амперной характеристики до лимитирующего значения напряжения, как у обычного линейного резистора, а после этого лимитирующего напряжения - нелинейной характеристики, при которой малому увеличению напряжения соответствует значительное увеличение тока, и, соответственно, происходит резкое снижение сопротивления и уменьшение тепловыделения в резисторе.

На фиг.2 приведена вольтамперная характеристика резистора (симметричная по отношению к отрицательным значениям напряжения), где 1 - зависимость тока от напряжения (до лимитирующего напряжения u_lim) линейной части лимитирующего резистора; 2 - зависимость тока от напряжения нелинейной части лимитирующего резистора; 1 и 3 - зависимость тока от напряжения лимитирующего резистора в целом.

На фиг.3. приведена зависимость активного сопротивления от напряжения.

В связи с уменьшением сопротивления резистора напряжение на нем будет уменьшаться в соответствии с выражением (3) и ограничиваться (лимитироваться) по величине по сравнению с линейным резистором, поэтому он называется лимитирующим резистором, или сокращенно - лимистором. Мощность тепловыделения в лимисторе P_lim=U_lim·I_lim при уменьшении напряжения на сопротивлении также уменьшается, следовательно, поставленная задача решается.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется фиг.4. На фиг.4а представлен лимитирующий резистор по п.1 формулы полезной модели, на фиг.4ю - лимитирующий резистор по п.2 формулы полезной модели, на фиг.4в - лимитирующий резистор по п.3 формулы полезной модели, на фиг.4г - лимитирующий резистор по п.4 формулы полезной модели, на фиг.4д - лимитирующий резистор по п.5 формулы полезной модели, на фиг.4е - лимитирующий резистор по п.6 формулы полезной модели, на фиг.4ж - лимитирующий резистор по п.7 формулы полезной модели, на фиг.4з - лимитирующий резистор по п.8 формулы полезной модели. Цифры означают: 1- часть лимитирующего резистора из одного резистивного материала; 2 - часть из другого резистивного материала, 3-контактные металлизированные поверхности, 4 - отверстие в диске, 5 - контакты лимитирующего резистора, соединяющие параллельно резисторные колонки; 6 - корпус для параллельно соединенных резисторных колонок.

Работает лимистор следующим образом. Лимистор включается в рабочую сеть как поперечный элемент. В нормальном режиме работы сети (при напряжении на лимисторе u<U_m,фнр) сопротивление нелинейной части лимистора R_nonlin много больше сопротивления линейной части лимистора R_lin:

Начиная с некоторого значения напряжения на лимисторе после повышения напряжения сверх наибольшего рабочего

сопротивление нелинейной части лимистора R_nonlin сравнивается

с сопротивлением линейной части лимистора R_lin:

В связи с выражением (6) соотношения (9) и (11) запишутся:

Из (12)-(13) следует, что показатель степени вольт-амперной характеристики нелинейной части сопротивления лимистора удовлетворяет выражению:

Например, при ζ=100; η=1,2 из (14) следует α≈0,04, т.е. в заданных условиях значение показателя степени вольт-амперной характеристики нелинейной части лимистора того же порядка, что у обычного ΟΠΗ.

Если задать базисное напряжение:

то определяются базисные величины сопротивления и тока:

Таким образом, выражения (14)-(16) однозначно определяют вольт-амперную характеристику нелинейной части лимистора.

Поскольку для активного сопротивления справедливо выражение

(ρ - удельное сопротивление резистивного материала, Ом·м; l - длина резистора, м; S - площадь сечения резистора, м²), то из (10)-(11) следует:

откуда получается условие для площадей линейной и нелинейной части элемента лимистора:

т.е. соотношение площадей определяется соотношением удельных сопротивлений применяемых резистивных материалов, при этом удельное сопротивление нелинейного резистивного материала выбирается при напряжении, определяемом выражением (10).

Проиллюстрируем графиками работу лимистора в электрической сети. Зададим параметры схемы в некоторых единицах, при которых U_m,нр=1, R_lin=1. Для характеристики нелинейной части лимистора базисные значения U_б=1, I_б=1; значение показателя степени: α=0,04.

Если напряжение источника не превышает лимитирующего напряжения, то весь ток (на Фиг.5 - ток i1) идет по линейной части лимистора, выделяющаяся энергия (за полупериод) в линейной части лимистора равна 0,005. Пусть напряжение источника увеличивается в 2 раза, тогда, если бы это напряжение было приложено к линейному резистору R_л=1, то ток увеличился бы в 2 раза (на Фиг.5. - ток i2), а выделившаяся энергия - в 4 раза, и стала бы равна 0,020. Если же это напряжение приложится к лимистору, то при приближении к лимитирующему напряжению сопротивление нелинейной части уменьшится до величины, сравнимой с величиной сопротивления линейной части, и произойдет перераспределение тока в эту нелинейную часть (на Фиг.5 -ток i3 - ток через линейную часть лимистора, ток i4 - ток через нелинейную часть лимистора). Выделившаяся энергия в линейной части лимистора составляет 0,0075, в нелинейной - 0,0045, сумма энергий - 0,012. Таким образом, видно, что увеличение выделившейся энергии в линейной части лимистора произошло в пределах 50% от номинального режима вместо 300% для обычного линейного резистора. Суммарное выделение энергии в объеме лимистора уменьшилось на 40%.

При формировании лимистора посредством параллельного соединения Ν(N≥1) линейных и M(М≥1) нелинейных сопротивлений, выполненных в виде колонок из дисков (с возможными отверстиями по оси, и в частном случае одинаковых размеров), изготовленных из электропроводного материала только с линейными и только с нелинейными свойствами, общее сопротивление колонок с линейными свойствами находится из выражения:

и колонок с нелинейными свойствами - из выражения

поэтому аналогом соотношению (19) будет условие:

В частном случае использования одинаковых материалов для всех линейных и всех нелинейных сопротивлений получается соотношение, аналогичное (19):

Если диаметры всех дисков будут равны, то количество колонок с линейными и нелинейными свойствами должно удовлетворять условию:

Во всех случаях свойства материала, из которого выполнены нелинейные резисторы, должны удовлетворять условиям (14)-(16).

Получаемые преимущества от полезной модели лимитирующего резистора:

- существенное уменьшение тепловыделения в резисторе при напряжениях, больших номинальных;

- упрощение технологии изготовления резисторов;

- снижение контактных сопротивлений;

- повышение качества изготовления резисторов;

- понижение температуры нагрева центральной части резистора;

- расширение диапазона параметров резистора по максимальному значению прикладываемого к резистору напряжения;

- расширение диапазона параметров резистора по максимальному значению пропускаемого через резистор тока;

- увеличение класса применяемых материалов и расширение диапазона параметров резистора по лимитирующему напряжению.

Claims

1. Лимитирующий резистор, выполненный из двух резистивных материалов, отличающийся тем, что одна составляющая часть резистора выполнена из резистивного материала с линейными проводящими свойствами, а другая составляющая часть резистора выполнена из резистивного материала с нелинейными проводящими свойствами, зависящими от приложенного напряжения, причем составляющие части резистора выполнены таким образом, что при напряжении на резисторе, меньшем наибольшего рабочего напряжения, сопротивление части резистора с нелинейными проводящими свойствами больше сопротивления части резистора с линейными проводящими свойствами, а при напряжении на резисторе, большем этого значения, сопротивление части резистора с нелинейными проводящими свойствами равно или меньше сопротивления части резистора с линейными проводящими свойствами.

2. Лимитирующий резистор по п.1, отличающийся тем, что он сформирован в виде круглого диска с общими для составляющих частей резистора плоскими контактными поверхностями, расположенными от одной контактной поверхности до другой, а площади этих составляющих частей неизменны в любом сечении резистора.

3. Лимитирующий резистор по п.2, отличающийся тем, что контактные поверхности металлизированы.

4. Лимитирующий резистор по п.3, отличающийся тем, что части диска, выполненные из резистивного материала с линейными проводящими свойствами и резистивного материала с нелинейными проводящими свойствами, расположены соосно.

5. Лимитирующий резистор по п.4, отличающийся тем, что диск выполнен со сквозным отверстием по оси.

6. Лимитирующий резистор по п.4 или 5, отличающийся тем, что он сформирован из последовательно соединенных в резисторную колонку, как минимум, двух одинаковых дисков.

7. Лимитирующий резистор по п.6, отличающийся тем, что он сформирован из объединенных в одном корпусе параллельно соединенных, как минимум, двух резисторных колонок.

8. Лимитирующий резистор по п.7, отличающийся тем, что он сформирован из резисторных колонок, диски в которых выполнены из одного резистивного материала, при этом часть резисторных колонок - из дисков, содержащих материал только с линейными проводящими свойствами, другая часть - из дисков, содержащих материал только с нелинейными проводящими свойствами.