Резистор с сильной частотной зависимостью для уменьшения перенапряжений - vnekl.netnado.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Резистор с сильной частотной зависимостью для уменьшения перенапряжений - страница №1/1

Резистор с сильной частотной зависимостью для уменьшения перенапряжений
С.М. Коробейников*, Л.И. Сарин**, А.А. Челазнов***

*Новосибирский государственный технический университет,

**Производственное научное предприятие “ПНП Болид”,

***Всероссийский НИИ газовых технологий


Введение

Высокочастотные и сверхвысокочастотные перенапряжения появляются при коммутациях электрическими аппаратами, такими как разъединители, поражении молнией объекта при грозе и т.п. Их воздействие может привести в особо тяжелых случаях к пробою электрической изоляции, а при небольших высокочастотных перенапряжениях к выходу из строя высокочувствительного компьютеризованного оборудования. Нами [1], предложен способ подавления перенапряжений, основанный на создании резистора, сопротивление которого значительно увеличивается при частотах, характерных для этих перенапряжений. Резистор должен включаться последовательно с защищаемым объектом. При этом на низкой частоте он не будет препятствовать прохождению тока, а на высокой частоте будет служить поглощающим фильтром. Высокочастотное перенапряжение падает, в основном, на резисторе и высокочастотная составляющая не проходит в защищаемый прибор или подстанцию, если он установлен на подходе к подстанции. Механизмом, обеспечивающим рост высокочастотного сопротивления, может явиться хорошо известный скин-эффект в комбинации с перколяционным эффектом.

Целью настоящей работы является рассмотрение скин-эффекта в дисперсных и двухслойных структурах и оценка возможности подавления перенапряжений с помощью частотозависимого резистора.
1. Принцип работы

Традиционный скин-эффект, рассматриваемый в однородных металлических проводниках, приводит к слабой зависимости сопротивления от частоты. Это происходит за счет некоторого уменьшения площади проводника, где фактически проходит ток. Как известно, переменный ток неоднородно распределен по сечению проводника. Глубина протекания тока в проводнике определяется магнитной проницаемостью , частотой , проводимостью :



(1)

Можно показать, что максимальная частотная зависимость достигается в случае, когда толщина скин-слоя много меньше поперечных размеров проводника. В пределе она должна соответствовать зависимости . Основываясь на этой зависимости, отношение сопротивления на частоте 50 кГц к сопротивлению на частоте 50 Гц не может превышать 30 для любых однородных материалов.

Рассмотрим скин-эффект в дисперсном материале, составленном из композиции проводящего и непроводящего ферромагнитных порошковых материалов. Выталкивание тока в тонкую приповерхностную область должно привести к новому эффекту. Дело в том, что в композиционном материале, при изменении концентрации проводящей компоненты, ток изменяется неравномерно. При низком значении концентрации электропроводность мала и слабо зависит от концентрации, а при некотором значении, называемом порогом проводимости, происходит ее резкий рост на несколько порядков. При трехмерном протекании пороговая концентрация значительно ниже, чем при двухмерном протекании. Выбирая концентрацию таким образом, чтобы она была выше "объемного" порога протекания, но ниже "поверхностного" порога протекания, можно получить дополнительное увеличение эффекта частотной зависимости номинала резистора.

Расчеты частотной зависимости для двухкомпонентной модели смеси проводящей и непроводящей фаз в кубической решетке основываются на следующем. Электропроводность зависит от концентрации р, отношения H/a толщины H к размеру частиц a, удельной проводимости 1 электропроводной компоненты, порогов протекания в трехмерном случае pc,3 и в двумерном случае pc,2 [2].

эфф1(H/a)(t2-t3)/3 (p- pc,3- (pc,2 - pc,3)(H/a)-1/3)t2 (2)

где t2, t3, 3 - критические индексы проводимости, t2 1.3, t3=1.62, 3  0.9.

Рис.1. Удельная электропроводность и толщина скин-слоя дисперсного материала при различных частотах.

Значение H не должно совпадать с толщиной скин-слоя. На самом деле уменьшение эффективной электропроводности приводит к изменению размера скин-слоя



(3)

и для нахождения как того, так и другого параметров необходимо решить систему уравнений (2) и (3). Проще всего это сделать графическим методом. На рис. 1 показано решение для нескольких частот. Анализируя данные можно заметить что частотный эффект по сопротивлению достигается не только за счет уменьшения сечения протекания тока, но и за счет роста удельного сопротивления материала.



2. Скин-эффект в двухслойной структуре

Возьмем два слоя проводников, причем расположим их таким образом, что ферромагнетик является внешним, а неферромагнетик - внутренним слоем. Проводимость у неферромагнитного проводника должна быть выше, чем проводимость ферромагнетика. Тогда выбрав толщину ферромагнетика таковой, чтобы на частоте 50 Гц ток проходил по всему объему, а на высоких частотах - только по ферромагнетику, можно получить значительно большую частотную зависимость, чем .



Для двуслойного проводника: дисперсный ферромагнетик + алюминиевый проводник был произведен расчет частотной зависимости сопротивления при различной эффективной магнитной проницаемости композита (рис. 2).

Рис.2. Частотная зависимость двухслойной структуры.


Для проведения измерений сопротивления двухслойного проводника были изготовлены несколько образцов. На алюминиевую проволоку диаметром 3.7 мм наматывалась внахлест, либо впритык ферромагнитная лента длиной 1 м (обр. 1). Для контроля такой же кусок ленты наматывали на диэлектрический цилиндр (обр. 2). Третьим образцом служила лента такой же длины в виде кольца. Четвертый образец составлялся из медной трубки (наружный и внутренний диаметры 8,0 мм, 5,5 мм) и ленты, намотка ленты: зазор. В табл.2 и рис. 8 приведены результаты измерений, пересчитанные на 1 м.

Рис.3. Результаты измерения двухслойного резистора


3. Моделирование перенапряжений
Моделировалось использование частото-зависимого резистора для ограничения грозовых перенапряжений в линиях электропередач 110 кВ. Было показано, что если номинал резистора на грозовом импульсе составляет 100 Ом, то такой резистор эффективно ограничивает перенапряжения и может существенно улучшить работу ограничителей перенапряжений.

Проанализируем эффективность нормируемых способов защиты подстанции от грозовых воздействий при увеличении сопротивления заземления опор и контура подстанции.

Грозозащита линии на подступах к подстанции обеспечивается грозозащитными тросами, эффективность которых зависит от импульсного сопротивления заземления опор. Большинство ударов молнии приходится в тросы или опоры линии, что приводит к кратковременному повышению напряжения и перекрытию изоляции или воздушного промежутка между проводом и опорой (тросом). Если в дальнейшем при движении волны перенапряжения превышают импульсную прочность гирлянды изоляторов Uимп., то происходит повторный пробой до тех пор, пока перенапряжения не снизятся до Uимп. Окончательное снижение грозовых перенапряжений, поступающих на шины подстанции с подходящих линий, осуществляется подключением разрядников и ОПН.

В проведенном анализе приняты следующие исходные данные:



  • амплитуда тока молнии - 50 кА;

  • индуктивность опоры Lo=Ly*h=0.6*25=15 мкГн,

где Ly- удельная индуктивность на единицу высоты;

h- высота опоры;



  • 50% разрядное напряжение гирлянды изоляторов 110 кВ U50 = 400 кВ;

  • длина пролета Lп = 300м;

Сопротивления заземления опор Rо=10 Ом, сопротивление контура заземления подстанции Rп=0.5 Ом. Для этих условий при ударе молнии в ближайшую опору 110 кВ, удаленную от подстанции на длину одного пролета линии, на проводах фаз за счет обратного перекрытия формируется волна перенапряжений с амплитудой 1000 кВ. Падение этой волны на шины подстанции вызывает в ОПН-110 с уровнем ограничения 3Uф ток 2.2 кАmax, перенапряжения на шинах подстанции не превышают уровня ограничений ОПН (280кВ max).

В условиях скального грунта и вечной мерзлоты часто не удается обеспечить эффективное (нормированное) заземление опор линии и контура заземления подстанции. В этом случае нормированные способы обеспечения грозозащиты подстанции, а тем более линии, являются неэффективными. На рис. 1 представлены кривые перенапряжения на шинах подстанции 110 кВ для указанных расчетных условий, но при сопротивлении заземления опор Rо=50 Ом, и сопротивлении контура заземления подстанции Rп=20 Ом.

Рис. 4. Грозовые перенапряжения при неэффективном

заземлении контура подстанции и опор ВЛ.
Из графиков рис.4 следует, что за счет падения напряжения Uзк на повышенном сопротивлении заземляющего контура, перенапряжения на шинах подстанции Uш превышают величину уровня ограничения ОПН. При этом ток через ОПН увеличивается до 5.2 кАmax, перенапряжения на шинах подстанции, отсчитываемые от уровня нулевого потенциала, превышают импульсную прочность изоляторов. С учетом реальной скорости распространения волны напряжения на заземлителе, перенапряжения на удаленных участках подстанции на изоляции достигают 500кВ и превышают электрическую прочность изоляции, что приводит к ее перекрытию.

Следовательно, при увеличенных сопротивлениях заземления опор и контура подстанции, типовые схемы грозозащиты не обеспечивают эффективной защиты изоляции подстанции от перекрытия при грозовом поражении линии.


Перенапряжения при использовании частотозависимого резистора.

Установка в пролете ВЛ-110 кВ частотозависимого резистора позволяет снизить интенсивность переходного процесса и уменьшить кратности возникающих перенапряжений. При достижении волной перенапряжений установленного резистора происходит ее отражение и преломление, в результате чего происходит поглощение энергии и снижение перенапряжений. В однолинейной схеме замещения резистор включается последовательно с сопротивлениями ОПН и контура заземления. При протекании по этой цепи тока, вызванного грозовыми перенапряжениями, происходит перераспределение падений напряжения и уменьшение перенапряжений на шинах подстанции. На рис.2 представлена расчетная осциллограмма процесса при включении в ближайший к подстанции пролет линии резистора с сопротивлением R=100 Ом на частоте грозового импульса.




Рис.5. Грозовые перенапряжения при подключении в

пролет резистора R=100 Ом.


За счет поглощения резистором части энергии волны амплитуда перенапряжений на шинах снизилась до Uш=400 кВ, ток ОПН уменьшился с 5.2 кА до 3.0 кА max.

Степень демпфирования перенапряжений зависит от величины резистора в пролете. В табл.1. приведены значения энергии, поглощенной резистором за 40 мкс наиболее интенсивной части переходного процесса, величины перенапряжений на резисторе и на шинах подстанции, а также максимум тока через ОПН.

Таблица 1.


Величина резистора

W,кДж

UR

кВ max


кВ max


Iопн

кА max


R=25 Ом

11.8

108

462

4.31

R=50 Ом

16.4

195

437

3.86

R=100 Ом

18.7

298

399

2.95

R=200 Ом

16.7

465

372

2.31

Существует оптимальная, с точки зрения поглощенной энергии, величина резистора. Для выбранных параметров схемы максимум поглощенной энергии, а, следовательно, и наибольшее демпфирование перенапряжений, достигается для R=100 Ом.

В течение переходного процесса на резисторе формируется значительное напряжение. Во избежание перекрытия по поверхности резистор должен иметь наружную изоляцию с классом изоляции не менее 110 кВ.
Для схем подстанций с нормированными величинами сопротивлений заземления введение частотозависимых резисторов в подходящую линию позволяет снизить воздействия на ОПН и уменьшить величины перенапряжений на шинах подстанций. В таблице 2 приведены напряжение шинах подстанции, напряжение на резисторе и ток ОПН-110 при варьировании величины резистора.

Таблица 2.



Величина резистора

кВ max


UR

кВ max


Iопн

кА max


m1

0

282

0

2.23

1

100 Ом

278

177

1.77

1.27

200 Ом

275

287

1.43

1.6

500 Ом

270

466

0.93

2.5

В последнем столбце табл.2 приведен параметр m1, показывающий уменьшение энергии, поглощенной ОПН при протекании грозового импульса. Снижение поглощенной ОПН энергии оценивалось по степени уменьшения протекаемого тока.


При защите шин подстанции разрядником эффективность использования частотозависимого резистора повышается. Рассмотрим процессы для Rз.подст.=20 Ом, Rз.опор = 50 Ом.

Как и в случае с ОПН, увеличение сопротивления заземления подстанции снижает защитные свойства разрядников, установленных на шинах. За счет падения напряжения на контуре заземления напряжение на шинах относительно нулевого потенциала превышает защитный уровень разрядника. В этом случае введение резистора позволяет уменьшить ток в разряднике и напряжение на шинах.

В табл.3 приведены напряжение на продольном резисторе, напряжение на шинах подстанции и ток разрядника РВС-110 при варьировании величины частотозависимого резистора.

Таблица 3.




Величина резистора

кВ max


UR

кВ max


Iопн

кА max


0

710

0

7.0

100 Ом

543

411

4.11

200 Ом

486

645

3.22

500 Ом

405

1040

2.09

Повышенное сопротивление опор приводит к увеличению амплитуды грозовой волны, приходящей с линии до 1500кВ. Повышенное сопротивление контура заземления подстанции не позволяет установленному на шинах разряднику эффективно ограничить перенапряжения. Расчетная величина перенапряжений (без учета неизбежного пробоя подвесной изоляции) достигает 710кВ. Ввод в ближайший пролет ВЛ частотозависимого резистора 200 Ом вдвое снижает ток в разряднике и уменьшает амплитуду перенапряжений на шинах до 486 кВ. При этом падение напряжения на резисторе достигает 645кВ. Использование резистора 500 Ом снижает перенапряжения на шинах до 405кВ. В упрощенном представлении ограничение перенапряжений на шинах подстанции можно рассматривать как вынос максимума перенапряжений с шин подстанции на ближайшую опору ВЛ. Возможное перекрытие гирлянды изоляторов на опоре представляет, в этом случае, меньшую опасность, чем КЗ на ошиновке подстанции.

Проанализируем степень снижения перенапряжений и изменение расходуемого ресурса в вентильном разряднике при введении частотозависимого резистора в ближайшее к подстанции присоединение при соблюдении требований к величинам сопротивлений заземления (Rз.подст.=0.5 Ом, Rз. Опор =10 Ом).

В табл.4 приведены напряжение на продольном резисторе, напряжение на шинах подстанции и ток разрядника при варьировании величины резистора.

Таблица 4.


Величина резистора

кВ max


UR

кВ max


Iопн

кА max


m

0

325

0

2.5

1

100 Ом

313

188

2.3

1.28

200 Ом

304

331

1.63

3.6

500 Ом

295

617

1.25

8

Эмпирическая формула, связывающая допустимое число воздействий с величиной протекающего через разрядник тока, имеет вид [1]:

n*Ik=const, (1)

где: n – допустимое число воздействий;

k – показатель степени, равный 2-3 для грозовых импульсов, 6-10 для коммутационных. В табл.2 приведены величины m относительного увеличения допустимого числа воздействий на разрядник грозового импульса рассматриваемой амплитуды, определенные как:

m=Ik/Iko,

где : Iko – ограниченное значение тока;

k=3.


Относительный параметр m показывает увеличение допустимого числа воздействий грозового импульса на разрядники при использовании продольного резистора. Общий анализ достигаемых значений m показывает, что введение продольного частотозависимого резистора в ближайший к подстанции пролет позволяет, в случае выполнения требований к сопротивлениям заземлений, уменьшить величину перенапряжений на шинах подстанции с 325 до 295 кВ и снизить расходуемый разрядниками ресурс в 3.5-8 раз.

Вышеприведенные оценочные расчеты показывают эффективность использования частотозависимых резисторов для уменьшения энергии волны грозовых перенапряжений в условиях повышенных сопротивлений заземления опор и подстанции. Меньшие отклонения реальных сопротивлений заземления от нормируемых значений, по сравнению с показанными в статье, обусловливают более легкие условия работы частотозависимых резисторов и реальную возможность их реализации.



Заключение
Анализ проведенных предварительных исследований показывает, что идея создания продольного частотно-зависимого резистора за счет скин-эффекта представляется плодотворной. На основе многослойных ферромагнитных материалов возможно получение материала для резистора с сильной зависимостью номинала сопротивления от частоты. Такие резисторы могут найти применение не только при грозозащите энергетических объектов, но и при решении задач электромагнитной совместимости, повышения качества электрической энергии.

Литература


  1. Коробейников С.М., Сарин Л.И., Челазнов А.А., Дрожжин А.П. Один способ уменьшения энергии, поглощаемой ОПН. Материалы Всерос. Научн. Тех. Совещ. "Научные аспекты и актуальные проблемы разработки, производства, испытаний и применения ОПН"., СПб, ОАО "Электрокерамика", 8-10 октября 2001.

  2. Неймарк А.В. "Электрофизические свойства перколяционного слоя конечной толщины", ЖЭТФ, т.98, в.2, 1990, стр. 611-626.