УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

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.
-3
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 с, а коэффициент деления по емкостям конденсаторов K1>К2 коэффициента деления по сопротивлениям резисторов, при этом
1
1
где R и C соответственно - сопротивление резистора и емкость конденсатора верхнего плеча делителя;
2
2
R и С 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.