УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для защиты изоляции высоковольтного электрооборудования на подстанциях электрических сетей от любых высокочастотных (ВЧ) перенапряжений.
Опасность ВЧ перенапряжений заключается что, чем короче фронт волны воздействующего напряжения, тем более они опасны для витковой изоляции электрооборудования. Короткие фронты особенно характерны при коротких импульсах грозовых перенапряжений. Также опасность представляют ВЧ перенапряжения с наибольшими амплитудами и частотами воздействий при коммутации разъединителями холостых участков шин.
-3
Известно устройство защиты от высокочастотных перенапряжений (Патент №2041542 «Резонансностойкий ограничитель перенапряжений» / Крыжановский В.В., Шур С.С., опубл. 09.08.1995..), содержащее включенные между фазой защищаемой системы и землей последовательно соединенные искровой промежуток и ОПН (ограничитель перенапряжения нелинейный), 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 К1>К2 коэффициента деления по сопротивлениям резисторов, при этом
1
1
2
2
где R и C соответственно, сопротивление резистора и емкость конденсатора верхнего плеча делителя; 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 при увеличении рабочего напряжения массогабаритные показатели и количество элементов резко возрастает.
Существует решение по реализации частотозависимых резисторов для сигнальной электроники (патент №5883565 US «Frequency dependent resistive element» / James P. Furino. опубл. 16.03.1999), 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 частотозависимого резистора является область сигнальной электроники, что обусловлено сравнительно небольшой глубиной изменения сопротивления по отношению к сопротивлению на переменном токе. Аналогичное решение представлено в патенте № US 3806841 «Frequency-sensitive and electrical transmission system embodying such resistor».
Кроме того известен патент на устройство защиты от высокочастотных перенапряжений (№ US 4301428 «Radio frequency interference suppressor cable having resistive conductor and lossy magnetic absorbing material» / Ferdy Mayer опубл. 17.11.1981) 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 кабеля 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 (Патент № US 5235311 «Magnetic variable resistor» / Herman R. Person, Thomas L. Veik. Опубл. 10.09.1993) описан частотозависимый 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 частотозависимый элемент, как следует из описания, может быть использован для защиты электрических устройств от импульсных перенапряжений. Недостатком данного устройства является значительное электрическое сопротивление области низких частот, обусловленное большим удельным электрическим сопротивлением материала ленты и а также большие габариты и вес устройства.
Наиболее близким к предполагаемому техническому решению, прототипом, является устройство защиты от высокочастотных перенапряжений, работающее на принципе скин-эффекта (Патент №132633 «Устройство для подавления высокочастотных перенапряжений»/ Коробейников С.М., Илюшов Н.Я., Лавров Ю.А., Лопатин В.В., Брыкин В.П., Коробенкова А.Ю., опубл. 20.09.2013.), 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 малое омическое сопротивление на высоких частотах (200 кГц - 2 Мгц), очень сложно в изготовлении и имеет большие габариты.
Задачей (техническим результатом) является обеспечение большего омического сопротивления на высоких частотах, упрощение изготовления и снижение массогабаритных показателей. Поставленная задача достигается тем, что элементы устройства выполнены в виде многослойной структуры с проводящего слоя и слоя ферримагнитного материала.
Сущность полезной модели заключается в создании частотозависимого индуктивно-резистивного устройства на основе многослойной проводящей 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.
На фиг. 1 приведена схема элемента предлагаемого устройства защиты от ВЧ перенапряжений, где 1 - ферромагнитный слой, 2 - токопроводящий слой. На фиг. 2 приведена структура устройства (поперечный разрез) в котором элементы устройства установлены в виде квадратной катушки.
Как видно из фиг. 1, элемент устройства представляет собой многослойную структуру: ферромагнитный слой выполнен из магнитомягкого ферромагнитного материала с аморфной структурой. Токопроводящий слой 2 - выполнен из материала с малым удельным электрическим сопротивлением (например, медь, алюминий и т.д.).
Устройство работает следующим образом: 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 спиральной структуре обеспечивается за счет эффекта близости, проявляющегося в значительном перераспределении плотности тока внутри проводника - увеличении плотности тока вблизи края, рядом с которым расположен проводник с сонаправленным током. Происходит значительное увеличение сопротивления устройства за счет индуктивности и скин-эффекта. Индуктивность приводит к уменьшению крутизны импульса, воздействующего на подстанцию, активное сопротивление способствует рассеянию паразитной энергии. Таким образом, происходит удлинение фронта импульса (уменьшение крутизны) ВЧ перенапряжения, что предотвращает, например, межвитковый пробой в трансформаторе, а снижение амплитуды предотвращает пробой главной изоляции. Рассеиваемая энергия выделяется в виде тепла, тем самым ограничивается первый (максимальный) пик ВЧ перенапряжения. Упрощение изготовление достигается тем, что в качестве проводника применяется простые в изготовлении полосы материала.
Новизна данного устройства заключается в применении в качестве элемента частотнозависимого устройства многослойной структуры «сэндвич» из проводящего и ферримагнитного материала, данная конструкция проще в исполнении и способна обеспечить значительный рост сопротивления, на 40-50% больше, чем в прототипе, что при обеспечении необходимой эффективности приводит к уменьшению необходимых массогабаритных показателей.
Таким образом, описанное устройство защиты от высокочастотных перенапряжений может быть использовано, для защиты оборудования подстанций от высокочастотных импульсных 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.