Использование аморфных сплавов для защиты электрических сетей от высокочастотных перенапряжений

Целью данного исследования является анализ достоинств и недостатков разработанных методов защиты и определение основных направлений работы по увеличению эффективности данных защитных средств.

В сетях до 35 кВ включительно для защиты изоляции от внутренних перенапряжений даже не обязательно использовать какие-либо дополнительные защитные средства, для этого вполне достаточно самого уровня имеющейся изоляции. Для защиты от грозовых перенапряжений основным мероприятием можно считать обустройство режима изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтрали. В качестве резервной меры грозозащиты используется автоматическое повторное включение (АПВ) [1].

Для грозозащиты в сетях 110…220 кВ применяют тросы, заземление опор, молниеотводы, искровые промежутки, разрядники и нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН). Уже из этого перечня видно, что все современные способы защиты оборудования от высокочастотных перенапряжений включаются последовательно между токоведущим проводом и землей, то есть параллельно защищаемому объекту. Все это приводит к тому, что в районах с грунтами, имеющими высокое сопротивление, эффективность использования ОПН резко снижается, а использование разрядника практически невозможно. Во-вторых, принцип защиты ОПН и разрядников направлен на снижение амплитуды входного импульса перенапряжения, делая его безопасным для главной изоляции, но практически не влияя на крутизну фронта данного импульса. Следовательно, ОПН и разрядники, даже при устройстве заземления, соответствующего нормативам, способны эффективно снижать уровень перенапряжений, воздействующих на главную изоляцию трансформатора, но не способны защитить его продольную изоляцию, снижая тем самым вероятность возникновения межвитковых замыканий в обмотках трансформаторов [2].

Еще одно устройство для защиты оборудования от высокочастотных перенапряжений было разработанное в Новосибирском государственном техническом университете в 2014 году. Данное устройство, названное частотнозависимым или ЧЗУ, по замыслу разработчиков должно было обеспечивать защиту оборудования подстанций за счет усиления скин-эффекта в специальном проводящем слое ЧЗУ [3].

Известно, что электрический ток в проводнике распространяется не равномерно по всему сечению этого проводника, а только в приповерхностном слое, причем с ростом частоты входного сигнала толщина проводящего слоя уменьшается, а сопротивление проводника соответственно возрастает. То есть сопротивление проводящего слоя проводника при частоте сигнала промышленной частоты 50 Гц должно быть меньше, чем его сопротивление в случае прихода, например, грозового импульса, частота которого составляет порядка 200 кГц. В обычных алюминиевых или медных проводах сопротивление проводящего слоя с приходом грозового импульса перенапряжения увеличивается максимум в 30-50 раз, что явно недостаточно для защиты оборудования. Но если поверх того же алюминиевого провода создать еще и слой на основе специального материала, имеющего высокую магнитную проницаемость, например, из аморфной ленты, то общее сопротивление проводника за счет того, что электрический ток будет стремиться перейти из алюминия в аморфную ленту, будет возрастать в десятки и даже сотни тысяч раз. То есть теоретически ЧЗУ способно снизить амплитуду входного импульса перенапряжения до безопасного значения, причем, чем выше частота данного импульса, тем больше будет сопротивление проводящего слоя ЧЗУ и тем надежнее оно будет защищать оборудование [3].

Материалы и методы. Как уже отмечалось выше, для оборудования подстанций, имеющего индуктивный характер, например, для трансформаторов, не так страшна амплитуда импульса перенапряжения, как высокая крутизна его фронта. Уменьшение крутизны фронта импульса, то есть увеличение длительности его фронта в ЧЗУ решается благодаря спиралеобразной форме устройства, геометрические размеры которого были рассчитаны методом компьютерного моделирования с помощью специально разработанных программ. Общий вид частотнозависимого устройства, смоделированный по данной программе, представлен на рисунке 1 [3].

Рисунок 1 – Общий вид конструкции ЧЗУ

В целом ЧЗУ представляет собой изолированный алюминиевый провод с плотно намотанной в несколько слоев по его поверхности специальной аморфной ленты и уложенный в спираль на металлическое основание. Численный анализ эффективности применения данного устройства, показал, что установка ЧЗУ такой формы для защиты оборудования подстанций 110 кВ должна существенно изменять форму воздействующих на защищаемое оборудование волн высокочастотных перенапряжений. Так, например, время нарастания амплитуды импульса перенапряжения должно увеличиваться примерно с 0,3 мкс до 2,5 мкс, снижая тем самым крутизну импульса в 8-9 раз и обеспечивая этим надежную защиту продольной изоляции трансформаторов [4]. Для этого конструктивно ЧЗУ должно иметь размеры не меньше указанных на рисунке 1 и общую длину провода не менее 120 м.

По результатам компьютерного моделирования были собраны 3 опытных образца ЧЗУ, в дальнейшем установленные для испытания на ПС 110 кВ Сугмутская в филиале Ноябрьские электрические сети АО «Тюменьэнерго» Замеры сопротивления и индуктивности опытных образцов ЧЗУ, проведенные по методу амперметра-вольтметра, также показали существенное изменение характеристик устройств под действием скин-эффекта с ростом частоты входного сигнала. Результаты измерений характеристик одного из трех опытных образцов приведены в таблице 1 [3]

Подобные результаты стали возможны не только благодаря смоделированной форме устройства, но и за счет применения в качестве проводящего материала специальной аморфной ленты 5БДСР, данные о физических свойствах которой приведены в таблице 2 [3].

Таблица 1 - Результаты измерения по ЧЗУ

Характеристики ЧЗУ	Показатели характеристик опытного образца
Частота F , кГц	0,05	1	5	10	50	100	150	200
Полное сопротивление Z, Ом	0,5	9,56	42,64	90,74	442,9	920,2	1521	2369
Активное сопротивление R, Ом	0,09	0,6	1,34	5,7	27,81	57,78	95,47	148,8
Индуктивность L, мГн	1,572	1,519	1,357	1,41	1,407	1,462	1,61	1,882

Данная лента представляет собой нанокристаллический магнитомягкий сплав (FeNbCuCoBSi), получаемым скоростной закалкой расплава на поверхности быстровращающегося охлаждающего барабана. Достоинствами ленты является высокая индукция при низкой коэрцитивной силе, низкие потери на перемагничивание при высоких частотах, близкая к нулю магнитострикция, высокая магнитная проницаемость, которая зависит от способа термомагнитной обработки и может достигать значения 50 000, а также её высокое удельное электросопротивление.

Таблица 2 - Физические свойства ленты из аморфных сплавов 5БДСР

Температура Кюри , 0 С	350
Температура начала кристаллизации, 0 С	530
Плотность, г/см 3	7,6
Удельное электрическое сопротивление, мкОм∙м	1,6
Максимальная температура длительного применения, 0 С	240
Индукция насыщения, Тл	1,3

К сожалению, анализ эффективности применения ЧЗУ, проведенный по методу моделирования воздействия различных волн перенапряжения с амплитудой 1,0 и формой 1,2/50 мкс, показал, что несмотря на то, что ЧЗУ резко увеличивает длительность фронта импульса перенапряжения и снижает амплитуду данного импульса, частотнозависимое устройство начинает быть эффективным для защиты оборудования подстанций от грозовых перенапряжений, имеющих частоту до 200 кГц, только тогда, когда на грозовых частотах его активное сопротивление превышает 100 Ом, а индуктивность составляет 2,5 мГн и выше. Но если активное сопротивление порядка 100 Ом проводящий слой из аморфной ленты 5БДСР обеспечивает легко, то необходимых значений индуктивности устройства ни один из опытные образцов показать не смог.

Результаты и обсуждение. И хотя по результатам опытно-промышленной эксплуатации трех опытных образцов ЧЗУ на ПС110 кВ Сугмутская в течении 4-х лет было признано, что на выходе устройства за данный период, не смотря на регистрацию на входе ЧЗУ с помощью специальной системы мониторинга импульсов высокочастотных перенапряжений различного происхождения, на выходе устройства никаких возмущений зарегистрировано не было, эти испытания нельзя назвать полностью успешными. Во-первых, испытания проводились на ПС, находящейся в районе с минимальной грозовой активностью, где за время опытно-промышленной эксплуатации на входе ЧЗУ был зарегистрирован всего 56

лишь один мощный входной импульс с амплитудой порядка 350 кВ в июне 2018 года. Поэтому и было рекомендовано перенести ЧЗУ в районы с большей грозовой активностью. Во-вторых, также было рекомендовано для увеличения надежности защиты дорогостоящего оборудования подстанций использовать ЧЗУ в комплекте с ОПН, который должен включаться между фазой и землей, что практически невыполнимо из-за высокого сопротивления грунта.

Увеличить индуктивности ЧЗУ на грозовых частотах возможно и, более того, это возможно сделать даже несколькими способами. Например, можно увеличить длину проводящего кабеля, которая в опытных образцах составляла 120 метров, но это неминуемое приведет к существенному увеличению и без того немалого веса ЧЗУ. Можно изменить геометрические размеры, например, диаметр основания катушки ЧЗУ или расстояние между её витками, можно изменить саму форму устройства, но это лишь незначительно изменит его характеристики и довольно значительно усложнит его сборку.

Так, в работе [6] были показаны новые образцы ЧЗУ различной формы, как с круглыми, так и с плоскими проводниками, разработанные для ВЛ 35 кВ. Принцип защиты всех новых образцов, некоторые из которых представлены на рисунке 2 [7], также, как и в ЧЗУ, разработанном для ВЛ 110, основывается на аномальном скин-эффекте, для чего в образцах была так же была использована все та же аморфная лента 5БДСР

а)                                    б)                             в)

Рисунок 2 – образцы ЧЗУ:

а) с круглым проводником; б) с плоским многослойным проводником; в) с плоским однослойным проводником.

Результаты измерений сопротивления данных образцов показывают, что наиболее высокое сопротивления на грозовых частотах имеет ЧЗУ с плоским однослойным проводником (рисунок 2, в), но, несмотря на то, что его сопротивление на частоте 200 кГц почти на 40% превышает сопротивление ЧЗУ, разработанного для ВЛ 110 кВ, данный образец имеет свой существенный недостаток - проблему соединений плоских проводников. Плоский проводник нельзя просто согнуть и уложить вокруг основания, для того чтобы собрать подобное устройство требуется механическое соединение отдельных полос проводника и каким бы это соединение не было, на болтах или на сварке, оно обладает повышенным активным сопротивлением. ЧЗУ, работающее на основе скин-эффекта, должно быть подключено к подстанции последовательно и при этом не ограничивать рабочий ток на промышленной частоте [8], но в случае механических соединений неминуемо будут возникать повышенные потери электроэнергии даже при нормальном режиме работы сети, что недопустимо. Новые образцы с круглым проводником вообще не показывают какого-либо преимущества перед ЧЗУ, разработанным в 2014 году

Выводы. Исходя из всего вышеизложенного, наиболее перспективным с пособ ом

Агротехника и энергообеспечение. – 2023. – № 4 (41)                        57

улучшения характеристик частотнозависимого устройства, на мой взгляд, является использование вместо ленты 5БДСР других аморфных сплавов. Так, Ашинский металлургический завод в настоящее время наладил выпуск аморфной ленты на основе кобальта 82КЗХСР, которая при практически таких же физических свойствах, за исключением температуры Кюри, как и лента 5БДСР, имеет относительную магнитную проницаемость не менее 100000, то есть в два раза большую, чем 5БДСР [9]. Использование таких материалов, а еще лучше новых и специально разработанных для увеличения ^ r , позволило бы не только надежно защитить оборудование подстанций от высокочастотных перенапряжений, но и значительно снизить габаритные размеры и вес новых ЧЗУ, что значительно облегчит их установку и сделает их более привлекательными для использования.