RU214353U1 - Устройство для защиты от высокочастотных перенапряжений - Google Patents

Abstract

Устройство защиты высокочастотных перенапряжений относится к области электротехники и может быть использовано для защиты изоляции высоковольтного электрооборудования на подстанциях электрических сетей от любых высокочастотных (ВЧ) перенапряжений. Устройство содержит двухслойный резистор, выполненный из многожильного проводника (1), диэлектрический каркас устройства (2) и основание (3). На поверхность многожильного проводника (1) нанесены ферромагнитный слой в виде отдельных фрагментов из резистивного материала и термоусаживаемый изоляционный слой. Многожильный проводник (1) закреплен на диэлектрическом каркасе (2) и уложен в форме катушки. Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение эффективности помехоподавления. 2 ил.

Description

Предлагаемое устройство относится к области электротехники и может быть использовано для защиты изоляции высоковольтного электрооборудования на подстанциях электрических сетей от любых высокочастотных (ВЧ) перенапряжений.

Опасность ВЧ-перенапряжений заключается в том, что при коротком фронте волны воздействующего напряжения напряжение на витках обмоток электрических машин, в частности силовых трансформаторов, распределяется неравномерно и может вызвать ускоренное старение и преждевременное разрушение межвитковой изоляции обмоток. Короткие фронты особенно характерны при коротких импульсах грозовых перенапряжений. Также опасность представляют ВЧ-перенапряжения с наибольшими амплитудами и частотами воздействий при работе коммутационного оборудования, срабатывании искровых промежутков, электрических пробоях межконтактных промежутков высоковольтных выключателей, коммутации разъединителями холостых участков шин, в начальные моменты коротких замыканий на шинах подстанций и при близких коротких замыканиях на присоединениях.

Известно устройство (1. Патент РФ №2041542 Резонансностойкий ограничитель перенапряжений / Крыжановский В.В., Шур С.С.- №5063405/07, заявлено 25.09.1992; опубл. 09.08.1995. - 7 с., 3 ил.), содержащее включенные между фазой защищаемой системы и землей последовательно соединенные искровой промежуток и ОПН (высоконелинейный резистор), шунтированные емкостно-омическим делителем, верхнее плечо которого подключено параллельно искровому промежутку и состоит из параллельно включенных резистора и конденсатора, имеющих линейную вольт-амперную характеристику, нижнее плечо делителя подключено параллельно ОПН и состоит из резистора, причем ОПН представляет собой столб, состоящий из последовательно соединенных единичных элементов, при этом делитель напряжения выполнен с частотно-зависимым коэффициентом деления, в нижнее плечо делителя параллельно резистору включен конденсатор, параметры элементов делителя удовлетворяют условию, по которому общая постоянная времени Т=1,5⋅10^-3 с, а коэффициент деления по емкостям конденсаторов K1>К2 коэффициента деления по сопротивлениям резисторов, при этом

где R₁ и C₁ соответственно - сопротивление резистора и емкость конденсатора верхнего плеча делителя;

R₂ и С₂ соответственно - сопротивление резистора и емкость конденсатора нижнего плеча делителя.

К недостаткам указанного устройства относится большое количество элементов (в простейшем варианте на 6 кВ - девять элементов), что значительно снижает его надежность в условиях непрерывной работы электрической сети. При этом с увеличением рабочего напряжения массогабаритные показатели и количество элементов резко возрастает.

Существует решение по реализации частотно-зависимых резисторов для сигнальной электроники (2. Патент №5883565 US Frequency dependent resistive element), суть которого состоит в создании токопроводящей структуры с сильно изменяющейся площадью сечения по направлению протекания тока таким образом, что с увеличением частоты происходит одновременное увеличение эффективного пути протекания тока (смещение к приповерхностной области) и уменьшение площади токопрохождения. Это обеспечивает существенно большее увеличение сопротивления с ростом частоты, по сравнению с одинаковым по площади сечением проводника. Однако целевым применением данной конструкции частотно-зависимого резистора является область сигнальной электроники, что обусловлено сравнительно небольшой глубиной изменения сопротивления по отношению к сопротивлению на переменном токе. Аналогичное решение представлено в патенте (3. № US 3806841 Frequency-sensitive and electrical transmission system embodying such resistor).

Кроме того, известно устройство (4. Патент US на устройство №4301428 Radio frequency interference suppressor cable having resistive conductor and lossy magnetic absorbing material), в котором представлен ряд конструктивных решений, использующих композитные проводники, внутренний слой которых состоит из токопроводящего материала с малым удельным электрическим сопротивлением (медь), а внешний слой - с высоким удельным электрическими сопротивлением - проводники, на основе фиброволоконных материалов с металлизацией, что обеспечивает хорошее поглощение ВЧ-пульсаций в области высоких частот. Один из вариантов проводника конструктивно представляет собой токопроводящую ленту с нанесенным на ее поверхность с одной или с обеих сторон резистивным материалом. К недостаткам относятся эффективное поглощение пульсаций в области только высоких частот 10-1000 МГц, а также малые уровни импульсной поглощаемой мощности, что связано с малой теплопроводностью предложенных типов резистивных материалов.

В патенте [5. Патенте US №5235311 Magnetic variable resistor.] описан частотно-зависимый резистор, конструктивно представляющий собой свернутую в рулон ленту из ферромагнитного или резистивного материала, длинные края которой имеют клиновидные сужения. Для электрической изоляции между соседними слоями в рулоне ленты расположен диэлектрический слой (бумага или картон). В описании патента указано, что существенное увеличение активного сопротивления с ростом частоты достигается за счет оттеснения тока к клиновидным торцам ленты. Это приводит к уменьшению эффективной площади сечения проводника и увеличению электрического сопротивления. Описанный частотно-зависимый элемент, как следует из описания, может быть использован для защиты электрических устройств от импульсных перенапряжений. Недостатком данного устройства является значительное электрическое сопротивление в области низких частот, обусловленное большим удельным электрическим сопротивлением материала ленты, большие габариты и вес устройства, а также невозможность использования для высоких напряжений.

Имеется патент [6. Патент РФ №169173 Частотно-зависимый индуктивно-резистивный элемент на основе композитных проводников для защиты от импульсных перенапряжений и высокочастотных помех / Суворов Д.В., Буваков С.Ю., Гололобов Г.Л., Тарабрин Д.Ю., Петров П.М. - №2016117718 Заявл. 04.05.2016; Опубл. 09.03.2017, Бюл. №7], в котором подавляющий частотно-зависимый эффект проявляется на высоких частотах. Сущность полезной модели заключается в создании частотно-зависимого индуктивно-резистивного элемента, представляющего собой свернутую в спираль ленту, имеющую композитную структуру. Внутренний слой ленты выполнен из неферромагнитного материала с высокой электрической проводимостью. Внешний слой выполнен из неферромагнитного материала с низкой электрической проводимостью. Для обеспечения электрической изоляции между соседними слоями введен диэлектрический слой. Эффективное увеличение сопротивления элемента с ростом частоты обеспечивается за счет скин-эффекта и эффекта близости перераспределения тока и его выталкивание в область с низкой электропроводностью. Недостатком данного устройства является его направленность на защиту электроники, с малыми значениями перенапряжений, многократно меньших по сравнению с перенапряжениями в сетях передачи и распределения электроэнергии. В случае же повышения рабочего напряжения массогабаритные характеристики устройства резко возрастают.

Существует патент [7. Патент РФ №192615 Устройство защиты от высокочастотных перенапряжений / Коробейников С.М., Илюшов Н.Я., Ломан В.А. - №2019119289, заявлено 19.06.2019; опубл. 24.09.2019], в котором предлагается использование в качестве частотозависимого проводника структуры, состоящей из слоев проводника и ферромагнитных лент, уложенных в виде «сэндвича», обеспечивающего малое омическое сопротивление на низких частотах и высокое активное и индуктивное сопротивление на высоких частотах, за счет выдавливания высокочастотного в торцы проводника и в дальнейшем в ферромагнитный материал. Недостатком данного устройства является высокая сложность изготовления из-за наличия многократного перегиба многослойной структуры при повороте на угол 90 градусов и необходимости создания конструкции, удерживающей ферромагнитный материал между слоями проводника.

Наиболее близким к предполагаемому техническому решению является устройство для подавления высокочастотных перенапряжений, работающее на принципе скин-эффекта (8. Патент РФ №132633 Устройство для подавления высокочастотных перенапряжений / Коробейников С.М., Илюшов Н.Я., Лавров Ю.А., Лопатин В.В., Брыкин В.П., Коробенкова А.Ю. - №2013120271/07, заявлено 30.04.2013; опубл. 20.09.2013. - 6 с., 2 ил.), в котором повышение эффективности защиты от высокочастотных перенапряжений электрооборудования высоковольтных подстанций при грозовых поражениях воздушных линий электропередачи (ВЛ) происходит за счет выполнения многослойного резистора (с внутренним слоем из электропроводного материала с профилированной поверхностью и внешним слоем из ферромагнитного резистивного материала) из отдельных элементов электрически последовательно соединенных между собой, указанные элементы пространственно расположены таким образом, что они образуют многоугольную катушку, профиль элементов выполнен в виде продольных ребер, причем ребра ориентированы внутрь катушки, и каждый элемент покрывается диэлектрической оболочкой. Ключевой особенностью данного устройства является то, что проводник имеет сложный профиль, что обеспечивает более быстрое увеличение сопротивления с ростом частоты, однако, устройство имеет значительные габариты и сложно в изготовлении.

Задачей является создание устройства, обеспечивающего малое омическое сопротивление на постоянном токе и токе низкой частоты (50 Гц), с малым количеством элементов, простое в изготовлении и с низкими массогабаритными показателями, обеспечивающего защиту от любых ВЧ-перенапряжений.

Техническим результатом устройства является повышение эффективности помехоподавления, упрощение изготовления и защита от перенапряжений за счет «вытеснения» высокочастотной компоненты тока в область с высоким удельным электрическим сопротивлением и снижения площади сечения на высоких частотах перенапряжений.

Сущность полезной модели заключается в создании частотно-зависимого индуктивно-резистивного устройства на основе многожильного проводника (1) с нанесенным на него слоем ферромагнитного материала, обеспечивающего малое омическое сопротивление на низких частотах и высокое активное и индуктивное сопротивление на высоких частотах перенапряжений. На поверхность многожильного проводника нанесен также термоусаживаемый изоляционный слой. Многожильный проводник (1) закреплен на диэлектрическом каркасе (2) и уложен в форме катушки.

На фиг. 1 приведена схема устройства защиты от высокочастотных перенапряжений, где 1 - многожильный проводник, 2 - каркас устройства, 3 -основание.

На фиг. 2 приведена схема проводника предлагаемого устройства защиты от ВЧ-перенапряжений, где 1 - многожильный проводник, 2 - ферромагнитный слой в виде отдельных фрагментов, 3 - термоусаживаемый изоляционный слой.

Как видно из фиг. 2, проводник представляет собой многожильный проводник, выполненный из материала с малым удельным электрическим сопротивлением (медь, алюминий и т.д.) покрытый ферромагнитным проводником в виде отдельных фрагментов. Ферромагнитный слой выполнен из магнитомягкого ферромагнитного материала с аморфной структурой. Для защиты от внешних воздействий полученный структурный проводник укрывается термоусаживаемой изоляцией.

Устройство защиты от высокочастотных перенапряжений работает следующим образом:

Заявляемое устройство защиты от высокочастотных перенапряжений подключают в рассечку фазного провода, подходящего к защищаемому объекту.

При нормальном режиме работы ток низкой частоты (50-60 Гц) протекает по слою проводника с высокой электропроводностью. При росте частоты происходит резкое сокращение площади поперечного сечения токопрохождения за счет перераспределения тока за счет скин-эффекта и вытеснение его в область с ферромагнитным материалом. Значительное усиление процесса «выталкивания тока» в катушке обеспечивается за счет эффекта близости, проявляющегося в значительном перераспределении плотности тока внутри проводника - вытеснении тока во внутреннюю часть катушки. Происходит значительное увеличение индуктивного сопротивления устройства за счет индуктивности и активного сопротивления за счет скин-эффекта. Индуктивность приводит к уменьшению крутизны импульса, воздействующего на ПС, активное сопротивление способствует рассеянию паразитной энергии. Упрощение изготовления достигается тем, что в качестве проводника применяется стандартный распространенный и легкодоступный проводник марки А (А-150, 95 и т.д.), различного диаметра в зависимости от требований прочности и проводимости, на который путем намотки сегментами нанесен ферромагнитный материал и в дальнейшем данный проводник сворачивается в катушки по принципу силового реактора. Малые массогабаритные характеристики достигаются применением круглой формы намотки, различной длины и диаметра.

Новизна данного устройства заключается в применении в качестве элемента частотно-зависимого устройства проводника, представленного многожильным проводником типа А с нанесенным ферромагнитным материалом в виде отдельных сегментов, лишь незначительно уменьшающим гибкость проводника, позволяя сворачивать его в катушку, данная конструкция значительно проще в изготовлении за счет наличия устройств и методов намотки как различных проводников в катушки, так и фрагментов ферромагнитного покрытия и сохранения при этом высоких показателей активного сопротивления и индуктивности при высокочастотных перенапряжениях.

Таким образом, описанное устройство защиты от высокочастотных перенапряжений может быть использовано для защиты оборудования подстанций от высокочастотных импульсных перенапряжений.

Claims (1)

1. Устройство защиты от высокочастотных перенапряжений, содержащее двухслойный резистор, внутренний слой которого выполнен из электропроводящего материала, а внешний - из ферромагнитного резистивного материала, отличающееся тем, что внутренний слой его выполнен из многожильного проводника с нанесенными на его поверхность ферромагнитным слоем в виде отдельных фрагментов и термоусаживаемым изоляционным слоем, многожильный проводник закреплен на диэлектрическом каркасе и уложен в форме катушки.

Images