УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ Российский патент 2006 года по МПК H02H9/04 H01C8/04 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты электрооборудования электрических сетей и подстанций от высокочастотных перенапряжений, преимущественно коммутационных.

При коммутациях ненагруженных шин разъединителями на высоковольтных подстанциях возникают высокочастотные (ВЧ) колебания токов и напряжений значительной амплитуды, достигающей величины, превышающей трехкратное фазное напряжение. Такие перенапряжения могут превышать порог электрической прочности изоляции аппаратов подстанций, в частности трансформаторов тока, размещенных вблизи коммутируемых разъединителей, а высокочастотные потери в изоляции аппаратов вызывают ее перегрев, который приводит к ускоренному старению изоляции. Существующие средства защиты электрооборудования от перенапряжений в виде вентильных и трубчатых разрядников, нелинейных ограничителей перенапряжений и т.п. имеют ограниченное число срабатываний и фактически не предназначены для снижения перенапряжений, возникающих при многократных пробоях между ножевыми контактами разъединителей при их коммутациях (до 1000 и более пробоев за время коммутации).

Известно устройство для защиты от перенапряжений (см. Авт. свид. СССР №754562, Н 02 Н 9/04, 1980 г.), содержащее последовательно соединенные резисторы и элементы переключения вольт-амперных характеристик, причем резисторы объединены в последовательно соединенные блоки с нечетным числом резисторов в каждом, а каждый элемент переключения шунтирует два смежных резистора блока. В рабочем состоянии устройство соединено параллельно с защищаемым объектом. При возникновении перенапряжений резисторы устройства переводятся элементами переключения из последовательного соединения в параллельное, при этом ток через защитное устройство увеличивается в несколько раз, за счет чего происходит ограничение перенапряжения.

Недостатком устройства является его сравнительно низкая пропускная способность. Кроме того, при увеличении числа блоков возрастает сложность обеспечения синхронной коммутации элементов переключения и, соответственно, невозможность обеспечения эффективной защиты электрооборудования от воздействия высокочастотного спектра перенапряжений.

Известно также устройство для защиты от перенапряжений (см. патент РФ №2237333, МПК⁷ H 02 H 9/04, Н 01 С 7/12, 2004), содержащее многослойный, преимущественно двухслойный, резистор, имеющий коаксиальную конструкцию, один из слоев которого выполнен из неферромагнитного материала с высокой электропроводностью, а другой слой - из ферромагнитного материала с пороговой проводимостью, при этом ферромагнитный слой нанесен на неферромагнитный слой. Ферромагнитный слой может быть выполнен из дисперсного материала, состоящего из двух компонент, из которых одна электропроводна, и может иметь профилированную поверхность. В рабочем состоянии резистор последовательно соединен с защищаемым объектом. Работа устройства при возникновении перенапряжения, вызванного грозовым импульсом, основана на явлении скин-эффекта, когда высокочастотный ток, протекающий через неферромагнитный слой, вытесняется к наружному ферромагнитному слою, где происходит поглощение энергии высокочастотных колебаний.

К недостаткам известного устройства следует отнести то, что при возникновении высокочастотного перенапряжения скин-эффект с увеличением частоты тока возрастает. При этом эффективное сечение ферромагнитного слоя резистора по мере вытеснения тока к его наружной поверхности уменьшается, и система быстро приходит в магнитное насыщение. В результате этого резко падает индуктивное сопротивление резистора при сравнительно незначительном возрастании его резистивной составляющей, и эффект защиты от тока высокочастотного перенапряжения снижается. Для усиления защитного эффекта в известном устройстве необходимо увеличить его сечение или длину, что ведет к росту габаритов и веса устройства. Еще одним недостатком этого устройства является практически полное насыщение ферромагнитного слоя при протекании через него рабочего тока промышленной частоты. При прохождении волны грозового импульса той или иной полярности вероятность того, что магнитная система защитного устройства будет ненасыщена или насыщена промышленным током противоположной полярности не превышает 50%, что снижает эффективность защиты электрооборудования высоковольтных подстанций от высокочастотных перенапряжений. Кроме того, многослойная конструкция резистора является весьма сложной, что затрудняет его эксплуатацию в открытых распределительных устройствах подстанций.

Техническим результатом устройства согласно настоящему изобретению является повышение эффективности защиты от высокочастотных перенапряжений электрооборудования высоковольтных подстанций без увеличения габаритов и веса устройства за счет разделения высокочастотного тока и концентрирования его в отдельных резистивном и индуктивном элементах устройства.

Технический результат достигается тем, что устройство для защиты от перенапряжений, содержащее двухэлементный коаксиальный резистор, внутренний элемент которого выполнен из неферромагнитного материала с высокой электропроводностью, а наружный элемент - из ферромагнитного материала, согласно изобретению содержит дополнительный резистор, подключенный параллельно внутреннему элементу коаксиального резистора, при этом наружный элемент коаксиального резистора выполнен из ферромагнитного материала с высоким удельным сопротивлением.

Технический результат достигается также тем, что наружный элемент коаксиального резистора имеет удельное сопротивление более 1 Ом·м.

Технический результат достигается также тем, что внутренний элемент коаксиального резистора представляет собой токоведущий провод, а наружный элемент выполнен из набора тороидальных ферритовых сердечников, между которыми установлены изолирующие прокладки, при этом ферритовые сердечники надеты на токоведущий провод.

На достижение технического результата направлено то, что дополнительный резистор представляет собой набор соединенных последовательно объемно-композиционных сопротивлений, заключенных в изоляционный трубчатый корпус.

На достижение технического результата направлено также то, что дополнительный резистор выполнен из графитоволоконного материала с удельным сопротивлением не менее 0,5 мкОм·м и имеет трубчатую форму.

Достижению технического результата способствует то, что дополнительный резистор установлен вне коаксиального резистора или размещен на его наружной поверхности и подключен к внутреннему элементу коаксиального резистора посредством проводящих перемычек.

Достижению технического результата способствует также то, что устройство содержит несколько соединенных параллельно коаксиальных резисторов, при этом дополнительный резистор подключен параллельно их внутренним элементам.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующем.

Дополнительный резистор устройства выбирают таким, что он практически не подвержен скин-эффекту и имеет постоянные характеристики во всем диапазоне частот. Он подключен параллельно внутреннему элементу коаксиального резистора. При этом коаксиальный резистор представляет собой индуктивное сопротивление устройства. Поскольку наружный элемент коаксиального резистора выполнен из ферромагнитного материала с высоким удельным сопротивлением (ρ>1 Ом·м) и высокой магнитной проницаемостью (μ≥2000), то при возникновении высокочастотного перенапряжения происходит вытеснение высокочастотной составляющей тока в дополнительный резистор, являющийся резистивной составляющей полного сопротивления устройства, где происходит поглощение энергии высокочастотных колебаний. Поскольку для каждой подстанции характерен конкретный диапазон частот ВЧ колебаний, определяемый схемой подстанции, типом применяемых аппаратов и конфигурацией ошиновки, то усиление эффекта подавления ВЧ составляющей коммутационного перенапряжения в изобретении достигается подбором оптимального соотношения индуктивной и резистивной составляющих устройства.

Введение в состав устройства дополнительного резистора, подключенного параллельно внутреннему элементу коаксиального резистора, позволяет, как это было сказано выше, обеспечить поглощение энергии ВЧ колебаний в дополнительном резисторе, что приводит к понижению амплитуды перенапряжений.

Выполнение наружного элемента коаксиального резистора из ферромагнитного материала с высоким удельным сопротивлением (ρ>1 Ом·м) позволяет создать индуктивное заграждение для высокочастотного тока и вытеснить его в дополнительный резистор, в котором энергия ВЧ колебаний трансформируется в тепловую энергию.

Использование токоведущего провода в качестве внутреннего элемента коаксиального резистора обусловлено назначением устройства для защиты от перенапряжений электрооборудования электрических сетей и подстанций. На практике токоведущим проводом может служить провод ошиновки подстанции.

Выполнение наружного элемента коаксиального резистора из набора тороидальных ферритовых сердечников, размещаемых на токоведущем проводе, позволяет создать гибкую конструкцию устройства и обеспечить заданную стрелу провеса при его использовании в открытых распределительных устройствах. В качестве ферритовых сердечников можно использовать выпускаемые промышленностью стандартные ферритовые кольца с заданными характеристиками, которые предназначены для работы в сильных магнитных полях.

Установка изолирующих прокладок между ферритовыми сердечниками позволяет, с одной стороны, практически полностью исключить скин-эффект в наружном элементе коаксиального резистора и в результате эффективно использовать все сечение ферромагнитных сердечников, а с другой стороны, сделать устройство более гибким и, следовательно, более стойким к ветровым и другим механическим нагрузкам, имеющим место в открытых распределительных устройствах подстанций.

Выполнение дополнительного резистора в виде набора соединенных последовательно объемно-композиционных сопротивлений, например теплостойких высоковольтных резисторов (ТВО), позволяет использовать резистивные элементы, слабо подверженные скин-эффекту и имеющие стабильное значение сопротивления в широком спектре частот, вплоть до нескольких МГц, что полностью перекрывает диапазон коммутационных ВЧ перенапряжений. Кроме того, появляется возможность подобрать суммарное сопротивление дополнительного резистора, которое будет оптимальным для характерной частоты ВЧ колебаний конкретной подстанции.

Размещение объемно-композиционных сопротивлений в трубчатом корпусе, например в стеклопластиковой трубе, позволяет повысить конструкционную прочность устройства и соответственно увеличить ресурс его эксплуатации.

Выполнение дополнительного резистора трубчатой формы из графитоволоконного материала с удельным сопротивлением не менее чем 0,5 мкОм·м позволяет повысить короностойкость резистора и упростить конструкцию устройства при одновременном повышении прочности и снижении веса устройства.

Дополнительный резистор может быть размещен вне коаксиального резистора и соединен с ним посредством проводящих перемычек. Перемычки в свою очередь соединены с внутренним элементом коаксиального резистора посредством зажимного приспособления. Величина расстояния между дополнительным и коаксиальным резисторами при этом не должна превышать радиуса зоны эффективного экранирования короны. Дополнительный резистор, в свою очередь, закреплен на проводящих перемычках посредством гибкого соединительного проводника. В качестве гибкого соединительного проводника может быть использован стальной трос. Все это позволяет обеспечить заданную стрелу провеса устройства.

Возможен вариант размещения дополнительного резистора непосредственно на наружной поверхности коаксиального резистора. В этом случае дополнительный резистор должен иметь гибкую конструкцию, например, быть выполненным из графитоволоконного материала трубчатой формы или представлять собой набор объемно-композиционных сопротивлений, соединенных последовательно, нежестко и заключенных в гибкий трубчатый корпус. Все это снижает парусность устройства и повышает его стойкость к ветровым нагрузкам.

В случае применения устройства на подстанциях сверхвысокого напряжения (220 кВ и выше) возможен вариант его выполнения из нескольких соединенных параллельно коаксиальных резисторов, где ошиновка распределительных устройств выполнена расщепленными проводами на две и более составляющих. В этом случае ферритовые сердечники надеты на каждый токоведущий провод, а дополнительный резистор подключен параллельно всем внутренним элементам коаксиальных резисторов, которые в местах подключения дополнительного резистора соединены общей проводящей перемычкой с конфигурацией, обусловленной числом расщепленных токоведущих проводов. При таком варианте выполнения устройства также обеспечивается эффективная защита от высокочастотных перенапряжений.

Сущность изобретения и его преимущества могут быть более детально пояснены нижеследующими рисунками, на которых изображены:

фиг.1 - общий вид устройства для защиты от перенапряжений с одним токоведущим проводом и размещением дополнительного резистора вне коаксиального резистора;

фиг.2 - вертикальный разрез по А-А на Фиг.1;

фиг.3 - общий вид устройства для защиты от перенапряжений с одним токоведущим проводом и размещением дополнительного резистора на наружной поверхности коаксиального резистора;

фиг.4 - вертикальный разрез по В-В на Фиг.3;

фиг.5 - общий вид устройства для защиты от перенапряжений с двумя токоведущими проводами и размещением дополнительного резистора вне коаксиальных резисторов;

фиг.6 - вертикальный разрез по С-С на Фиг.5 в увеличенном масштабе;

фиг.7 - схема подключения устройства для защиты от перенапряжений к шинам подстанции;

фиг.8 - кривые высокочастотного тока при коммутациях разъединителями ненагруженных шин высоковольтной подстанции при наличии устройства для защиты от перенапряжений (А) и его отсутствии (В).

Устройство для защиты от перенапряжений согласно изобретению содержит (см. Фиг.1-6) двухэлементный коаксиальный резистор 1 с внутренним элементом 2 из неферромагнитного материала, имеющего высокую электропроводность, и наружным элементом 3 из ферромагнитного материала с высоким удельным сопротивлением, а также дополнительный резистор 4. Внутренний элемент 2 коаксиального резистора 1 представляет собой фазный токоведущий провод 5 ошиновки подстанции. Наружный элемент 3 выполнен из набора тороидальных ферритовых сердечников 6, между которыми установлены изолирующие прокладки 7, при этом ферритовые сердечники надеты на токоведущий провод 5. Дополнительный резистор 4 подключен параллельно внутреннему элементу 2 коаксиального резистора 1 и может быть установлен на расстоянии L от коаксиального резистора 1 (см. Фиг.1, 2) или размещен на его наружной поверхности 8 (см. Фиг.3, 4). В обоих случаях подключение дополнительного резистора 4 к внутреннему элементу 2 осуществлено посредством проводящих перемычек 9, которые закреплены на внутреннем элементе 2 с помощью зажимного приспособления 10 хомутового типа. Дополнительный резистор 4 закреплен на проводящих перемычках посредством гибкого соединительного проводника 11, в качестве которого может быть использован стальной трос.

Дополнительный резистор 4 (см. Фиг.1, 2, 5, 6) представляет собой набор соединенных последовательно объемно-композиционных сопротивлений 12, заключенных в трубчатый корпус 13. Дополнительный резистор 4 может быть выполнен (см. Фиг.3, 4) из графитоволоконного материала с удельным сопротивлением не менее 0,5 мкОм·м в виде моноэлемента трубчатой формы 14.

Устройство согласно изобретению может содержать несколько соединенных параллельно коаксиальных резисторов 1 (см. Фиг.5, 6). При этом дополнительный резистор 4 подключен параллельно внутренним элементам 2 коаксиальных резисторов 1, представляющими собой расщепленные фазные токоведущие провода, и может быть установлен на расстоянии L₁, L₂ от резисторов 1 или размещен на их наружных поверхностях 8 аналогично Фиг.3.

В условиях действующей подстанции (см. Фиг.7) устройство для защиты от перенапряжений 15 постоянно подключено посредством концевого приспособления 16 (см. Фиг.1, 3, 5) между опорным изолятором 17 и разъединителем 18. От опорного изолятора 17 фазный токоведущий провод 19 идет к опоре высоковольтной линии (не показана), питающей подстанцию. Разъединитель 18 имеет ножевые контакты 20 и соединен с трансформатором тока 21, являющимся основным объектом защиты от ВЧ перенапряжений, и выключателем 22. Далее фазный токоведущий провод 19 от выключателя 22 идет к силовому трансформатору подстанции (не показан).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

В штатном режиме работы подстанции по токоведущему проводу 5 коаксиального резистора 1 (см. Фиг.1-4) протекают токи промышленной частоты 50 Гц. При этом по дополнительному резистору 4 ток практически не протекает, и ферритовые сердечники 6 находятся в глубоком насыщении.

При коммутациях разъединителями 18 (см. Фиг.7) ненагруженных шин высоковольтной подстанции, находящимися под рабочим напряжением, токи промышленной частоты в шинах отсутствуют. При этом в воздушном зазоре между ножевыми контактами разъединителя 18 происходят многократные электрические пробои, которые вызывают высокочастотные колебания токов и напряжений в прилегающих ненагруженных шинах с амплитудой, достигающей величины, превышающей трехкратное фазное напряжение. Одновременно с этим происходит вытеснение высокочастотной составляющей тока в дополнительный резистор 4, являющийся резистивной составляющей полного сопротивления заявленного устройства, где происходит поглощение энергии высокочастотных колебаний и их трансформация в тепловую энергию. Как видно из кривых высокочастотного тока перенапряжения (см. Фиг.8) интегральное действие тока при использовании устройства для защиты от перенапряжений согласно изобретению (кривая А) более чем на порядок меньше, чем без него (кривая В), а амплитуда ниже более чем на 30%.

Использование заявляемого изобретения позволяет повысить эффективность защиты от высокочастотных перенапряжений электрооборудования высоковольтных подстанций без увеличения габаритов и веса устройства за счет разделения высокочастотного тока и концентрирования его в отдельных резистивном и индуктивном элементах устройства. Амплитуда высокочастотных перенапряжений, возникающих при коммутациях ненагруженных шин, снижается на 30-40%, и более чем на порядок уменьшается интегральное действие токов перенапряжений на изоляцию аппаратов подстанции.

Устройство несложно в изготовлении, содержит стандартные основные элементы и достаточно надежно в эксплуатации. Оно может быть использовано в широком диапазоне рабочих напряжений высоковольтных подстанций и существенно повысит ресурс эксплуатации основного электрического оборудования при минимальных затратах на изготовление и установку устройства.

Использование: для защиты электрооборудования электрических сетей и подстанций от высокочастотных перенапряжений, преимущественно коммутационных. Технический результат заключается в повышении эффективности защиты от высокочастотных перенапряжений электрооборудования высоковольтных подстанций без увеличения габаритов и веса устройства. Устройство содержит двухэлементный коаксиальный резистор, внутренний элемент которого выполнен из неферромагнитного материала с высокой электропроводностью, а наружный элемент - из ферромагнитного материала с высоким удельным сопротивлением (ρ>1 Ом·м), и дополнительный резистор, подключенный параллельно внутреннему элементу коаксиального резистора. Внутренним элементом коаксиального резистора обычно является фазный токоведущий провод, а его наружный элемент выполнен из набора тороидальных ферритовых сердечников, надетых на токоведущий провод. Между ферритовыми сердечниками установлены изолирующие прокладки. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для защиты от перенапряжений, содержащее двухэлементный коаксиальный резистор, внутренний элемент которого выполнен из неферромагнитного материала с высокой электропроводностью, а наружный элемент - из ферромагнитного материала, отличающееся тем, что оно содержит дополнительный резистор, подключенный параллельно внутреннему элементу коаксиального резистора, причем наружный элемент коаксиального резистора выполнен из ферромагнитного материала с высоким удельным сопротивлением.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наружный элемент коаксиального резистора имеет удельное сопротивление более 1 Ом·м.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренний элемент коаксиального резистора представляет собой токоведущий провод, а наружный элемент выполнен из набора тороидальных ферритовых сердечников, между которыми установлены изолирующие прокладки, при этом ферритовые сердечники надеты на токоведущий провод.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительный резистор представляет собой набор соединенных последовательно объемно-композиционных сопротивлений, заключенных в изоляционный трубчатый корпус.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительный резистор выполнен из графитоволоконного материала с удельным сопротивлением не менее 0,5 мкОм·м и имеет трубчатую форму.6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что дополнительный резистор установлен вне коаксиального резистора или размещен на его наружной поверхности и подключен к внутреннему элементу коаксиального резистора посредством проводящих перемычек.7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что дополнительный резистор установлен вне коаксиального резистора или размещен на его наружной поверхности и подключен к внутреннему элементу коаксиального резистора посредством проводящих перемычек.8. Устройство по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что оно содержит несколько соединенных параллельно коаксиальных резисторов, при этом дополнительный резистор подключен параллельно их внутренним элементам.