УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Полезная модель относится к области электротехники, и может быть использовано для защиты изоляции высоковольтного электрооборудования на подстанциях электрических сетей от грозовых перенапряжений.
При грозовых поражениях воздушной линии (ВЛ) электропередачи на высоковольтных подстанциях возникают высокочастотные (ВЧ) перенапряжения значительной амплитуды, достигающей величины, превышающей трехкратное фазное напряжение. Такие перенапряжения могут превышать уровень импульсной электрической прочности изоляции аппаратов подстанций, в частности трансформаторов тока, размещенных вблизи коммутируемых разъединителей, а также трансформаторов, непосредственно соединенных с воздушной линией.
Грозовые волны, набегающие с ВЛ на подстанцию условно можно разделить на три типа волн. Первый тип это волны, возникающие при грозовом поражении ВЛ вне защищенного подхода (обычно защищенный подход для различных типов подстанции составляет от 1,5 до 3 км). При распространении волны за счет импульсной короны и потерь в проводе и земле она деформируется - уменьшается по амплитуде и увеличивается длительность ее переднего фронта. Такие волны менее опасны для изоляции электрооборудования подстанции, и они могут быть снижены ограничителями перенапряжений в случае большой амплитуды до безопасного для изоляции уровня.
Второй тип - это волны, возникающие в результате прорыва молнии вблизи подстанции сквозь тросовую защиту с последующим перекрытием линейной изоляции ВЛ.
Третий тип - это волны образованные при обратных перекрытиях с тела опоры на провод при ударах молнии в опору или грозозащитный трос.
Последние два типа волн характеризуются высокой скоростью нарастания напряжения и могут быть опасными для витковой изоляции трансформатора. В этом случае ограничители перенапряжений снижают амплитуду импульса напряжения, но не влияют на крутизну.
Известно устройство для защиты от перенапряжений (Патент №2284622 РФ, Устройство для защиты от перенапряжений / Ефимов Б.В., Данилин А.Н. Колобов В.В. - №2005105918/09, заявлено 02.03.2005; опубл. 27.09.2006. - 10 с, 8 ил.), содержащее двухэлементный коаксиальный резистор, внутренний элемент которого выполнен из неферромагнитного материала с высокой электропроводностью, а наружный элемент - из ферромагнитного материала, а также имеющее дополнительный резистор, подключенный параллельно внутреннему элементу коаксиального резистора, который выполнен из ферромагнитного материала с высоким удельным сопротивлением.
Однако это устройство предназначено для подавления только коммутационных высокочастотных перенапряжений, и не может быть использовано для подавления грозовых перенапряжений.
Кроме того известно устройство защиты от перенапряжений (Патент №2 237 333 РФ, Устройство для защиты от перенапряжений / Белокуров Е.М., Сарин Л.И., Челазнов А.А., Коробейников СМ., Царегородцев Н.Г., Ильиных М.В., Попов Л.Н. - №2000106378/09, заявлено 14.03.2000; опубл. 27.09.2004. - 5 с, 2 ил.), являющееся прототипом заявляемого устройства, содержащее резистор, выполненный многослойным, как минимум, двухслойным, при этом один из слоев которого выполнен из неферромагнитного материала с высокой электропроводностью, а другой слой - из ферромагнитного, материала, причем резистор последовательно соединен с защищаемым объектом. Работа устройства основана на явлении «скин-эффекта». При этом происходит поглощение высокочастотной составляющей воздействующего электромагнитного поля за счет того, что ток, протекающий через неферромагнитный слой, вытесняется к наружному ферромагнитному слою.
Однако в указанном устройстве активное сопротивление имеет небольшую величину, а индуктивное сопротивление имеет большие значения, но не превышающие значение индуктивного сопротивления провода такой же длины. Реализация этого предложения требует выполнение резистора длиной около километра, что представляется мало выполнимым в реальных условиях эксплуатации воздушных линий подстанций. Все это определяет низкую эффективность защиты от высокочастотных перенапряжений.
Задачей является повышение эффективности защиты от высокочастотных перенапряжений.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве, содержащем двухслойный резистор, внутренний слой которого выполнен из электропроводного материала с профилированной поверхностью, а на него нанесен слой из ферромагнитного резистивного материала, резистор выполнен 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 покрыт диэлектрической оболочкой.
Также поставленная задача достигается тем, что в устройстве для подавления высокочастотных перенапряжений углубления в элементах между ребрами профиля могут быть заполнены ферромагнитным диэлектрическим материалом.
На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства и его подключение, на фиг.2 - поперечное сечение элемента резистора.
Устройство 1 защиты от высокочастотных перенапряжений последовательно подключено к фазному проводу сети 2 и защищаемому объекту 3.
Предлагаемое устройство защиты (УЗ) (фиг.1) имеет ярко выраженные характеристики как индуктивного, так и резистивного элементов. Оно содержит n витков, каждый из которых содержит m резистивных элементов, электрически последовательно соединенных между собой и образующих многоугольную катушку.
Каждый элемент устройства 1 представляет собой многослойный резистор, содержащий внутренний слой 4, внешний слой 5, при необходимости ферромагнитный диэлектрический слой 6 и дополнительную диэлектрическую оболочку 7. Эскиз элемента в поперечном разрезе представлен на фиг.2.
Внутренний слой 4 выполняется из электропроводящего материала, например, алюминия. Внешний слой 5 выполнен из ферромагнитного резистивного материала.
Внешний слой накладывается на внутренний, при этом профиль конструкции имеет вид ребер. Кроме этого у каждого элемента сверху имеется дополнительная диэлектрическая оболочка 7, которая предотвращает перекрытия и пробой. При необходимости слой ферромагнитного диэлектрического материала между ребрами усиливает эффект за счет дополнительного выталкивания тока на периферию ребер.
Устройство защиты от высокочастотных перенапряжений работает следующим образом. Устройство 1 постоянно подключено к фазному проводу 2 последовательно с объектом защиты (ОЗ) 3, в качестве которого может быть электрическая подстанция, трансформатор и др.
При нормальном режиме работы на частоте примерно 50 Гц ничто не препятствует протеканию тока по всему объему элемента резистора 1 (слои 4, 5).
При воздействии импульса напряжения амплитудно-временные параметры перенапряжений на защищаемом объекте определяются активным и индуктивным сопротивлением резистора. Сопротивление резистора на высоких частотах значительно увеличивается за счет вытеснения тока в ферромагнитные элементы (слой 5) при этом распределение плотности тока неравномерное и большая часть тока протекает на периферии ребер. Рассеиваемая энергия выделяется в виде тепла. При этом нагреваются как ферромагнитные слои 5, так и внутренние слои 4 устройства защиты. Индуктивное сопротивление резистора увеличивается по сравнению с прототипом за счет того, что магнитное поле сосредоточивается внутри катушки. Кроме того такая распределение магнитного поля и выполнение ребер катушки приводит к дополнительному эффекту увеличения как сопротивления, так и внутренней индуктивности. При этом ориентация ребер внутрь катушки дополнительно увеличивает и активное сопротивление.
Рост индуктивности и сопротивления приводит как к увеличению длительности фронта набегающего импульса, так и к уменьшению его амплитуды. Это уменьшает вероятность пробоя главной и межвитковой изоляции.
Таким образом, использование заявляемого устройства позволяет повысить эффективность защиты от высокочастотных перенапряжений электрооборудования высоковольтных подстанций при грозовых поражениях ВЛ.
Данное устройство может быть использовано в широком диапазоне рабочих напряжений высоковольтных подстанций и существенно повысит ресурс эксплуатации основного электрического оборудования.
Устройство может быть реализовано в следующем виде: каждый резистивный элемент длиной 0,5-1 м имеет вид цилиндра с ребрами, расположенными на той стороне элемента, который расположен внутрь катушки, диаметр цилиндра 14 мм, ребра высотой 5 мм, количество ребер 6 Ребра покрыты ферромагнитной лентой, толщиной 0,15-0,2 мм. Рядом расположенные концы элементов электрически соединяются между собой. Подобное расположение приводит не только к росту доли активного сопротивления в полном сопротивлении, но и к значительному росту полного погонного сопротивления. Сравним характеристики нашего устройства, описанного выше с характеристиками прототипа. При расположении элементов устройства в виде элемента провода, как предполагается в прототипе, погонное (на 1 м) активное сопротивление резистора на частоте 300 кГц, характерной для грозовых импульсов составляет примерно 0,1 Ом (измерения), индуктивное сопротивление составляло 1 Ом/м. Эффективное подавление перенапряжений возможно при длине резистора более 5 км. При пространственном расположении, соединении и устройстве элементов как предполагается в заявляемом устройстве защиты, погонное активное сопротивление достигает 0,5 Ом, а индуктивное сопротивление 10 Ом/м. Эффективное подавление ВЧ-перенапряжений возможно при общей длине элементов резистора не превышающей 200 м. При этом элементы образуют четырехугольную катушку с длиной элемента 0,5 м и количестве витков 100. Максимальный размер резистора не превышает 3 м. Эти меры позволяют без проблем вписать резистор в габариты приемных порталов подстанций или без проблем их установить на опорных изоляторах на входе подстанции.