С. М. Коробейников А. В., Мелехов, Илюшов Н. Я
Скачать 95.1 Kb.
|
Измерения сопротивления двухслойного проводника резонансным способом С.М. Коробейников А.В., Мелехов, Илюшов Н.Я. Новосибирский государственный технический университет ВведениеВ настоящее время общепринятым методом подавления перенапряжений является использование ограничителей перенапряжений (ОПН), подключаемых параллельно защищаемому объекту. Однако ненулевая индуктивность ОПН должна снижать эффективность работы для случая ограничения высокочастотных перенапряжений грозового, либо коммутационного происхождения. Ранее [1-3], был предложен способ ограничения уровня перенапряжений, основанный на создании резистора, сопротивление которого значительно увеличивается при частотах, характерных для перенапряжений. Резистор должен включаться последовательно с защищаемым объектом. На рабочей частоте f = 50 Гц его сопротивление должно быть близко к сопротивлению провода такой же длины, а на частотах выше 50 кГц его сопротивление должно составлять на уровне десятков и сотен Ом. При этом паразитная электромагнитная энергия поглощается в основном, резистором, соответственно эта составляющая не проходит в защищаемый прибор или подстанцию. Резистивное поглощение энергии снижает амплитуду проходящих и отраженных электромагнитных волн. Механизмом, обеспечивающим рост высокочастотного сопротивления, может явиться хорошо известный скин-эффект. В этом направлении выполнены и другие работы [4-6], что указывает на его перспективность. Определение реального поглощения энергии в резисторе вследствие скин-эффекта, встречает ряд затруднений ввиду малости активного сопротивления по сравнению с индуктивным сопротивлением. Кроме того, при больших токах возможно магнитное насыщение внешней оболочки резистора, что должно приводить к снижению его эффективности. Целью настоящей работы являлось экспериментальное исследование характеристик двухслойного малоиндуктивного макета при различных уровнях тока, вплоть до значений, обеспечивающих магнитное насыщение. Электрические и геометрические характеристики образца.Испытуемый образец представляет собой медную трубку диаметром 8 мм, с толщиной стенок 1 мм, длиной 120 см, с намотанной по длине 110 см ферромагнитной лентой (Lz). В качестве сравнительной нагрузки (L0) была выбрана такая же трубка только без ленты. В экспериментах использовалась ошиновка в виде двухпроводной линии; обратным токопроводом являлась центральная жила кабеля РК-50-9-12 без оплетки вплотную прижатого к образцу (см. рис. 1). Измеренные в такой компоновке измерителем Е7-10 на частоте 0.6 МГц значения индуктивностей составили: Lz = 1 мкГн, L0 = 0.7 мкГн; емкость между образцом и обратным токопроводом (в разомкнутом варианте) Сz= 80 пФ. Сопротивление на постоянном токе Rz = 5 мОм. Результаты экспериментовНа рис. 2 приведена принципиальная электрическая схема измерений. Измерения Rz на токах амплитудой от 10 А до 1 кА осуществлялись разрядом емкости С0 на нагрузку через управляемый газовый разрядник тригатронного типа К (см. рис. 2). Емкость С0 (конденсаторы К15-4) заряжалась от стабилизированного источника постоянного напряжения. Амплитуда разрядного тока I и его частота f регулировались изменением зарядного напряжения U0 и значением емкости C0. С измерительного стенда сигналы тока (с шунта Rш) и напряжения ( с делителя R1, R2)по коаксиальным кабелям поступали в экранированную комнату и регистрировались на осциллографе С8-14. На рис. 3 приведены типичные осциллограммы токов, полученных на образце и реперной индуктивности, а так же расчетные значения омических потерь. Измерения на образце и сравнительной нагрузке L0 проводились в одинаковых начальных условиях (U0; C0 = const). Активные потери в контуре определялись из осциллограмм тока по формуле: Rn = (2L/T)ln((In +In+1)/(In +In-1)), где In - амплитуда тока в последовательных максимумах; Т - период колебаний, определяемый из осциллограмм; L = (T/2·π)2/C0– индуктивность контура. Сопротивление Rn является суммой омического сопротивления контура, включая шунт, делитель напряжения, а так же потери в керамическом конденсаторе C0, но, в основном, сопротивления искрового разрядника K, которое вносит основную погрешность в определении омических потерь и не поддается точному расчету. Сопротивление разрядника со временем уменьшается, затем выходит на квазистационарный уровень и в процессе погасания тока - опять увеличивается. Сравнение Rz и RL осуществлялось на квазистанционарной стадии сопротивления разрядника. Из данных рис. 3 видно, что на f 9 МГц разность сопротивлений (Rz – RL) в широком диапазоне токов In = 1060 А составляет 89 Ом. Сопротивление разрядника падает с увеличением заряда, протекающего через искру [7], поэтому его вклад в сопротивление образца Rz должен быть несколько выше, чем для RL. Измерение сопротивлений Rz и RL другим способом (но тоже резонансным) при возбуждении резонанса в последовательном колебательном контуре с помощью генератора ГЗ-112/1, показало, что на частоте f = 910 МГц разность сопротивлений (Rz– RL) 7 Ом (RZ >> RL). Следовательно, отличие в значении (Rz – RL), измеренных дэтими двумя способами, с искровым коммутатором и без него, не превышает 20%. Поэтому, в качестве эффективности поглощения энергии выбиралось значение (Rz – RL). На рис. 4 приведены систематические экспериментальные данные зависимости (Rz – RL) от частоты f в диапазоне токов In 10102 А. Здесь же приведены результаты низковольтных измерений с помощью генератора. Увеличение амплитуды тока свыше 100 А приводит к снижению эффективности резистивного поглощения энергии образцом. На рис. 5 приведена зависимость (Rz-RL) от амплитуды тока. В течение нескольких начальных полупериодов (I1 1 кА, U0 = 15 кВ) фазовые и амплитудные значения токов Rz и RL существенно не отличались. По мере спадания тока до значений ≤ 300 А фиксировалось отличие испытуемых образцов. При более низких начальных токах эффект был очевидней. Таким образом, в исследуемом диапазоне частот f = 2-12 МГц можно выделить три диапазона токов: 1. I ≥ 300 А – эффекта нет. 2. I ≤ 100 А - эффект есть. 3. I = 100-300 А – частичный эффект. Обсуждение полученных данных Проведение измерений малых сопротивлений в широком диапазоне частот и токов является непростой задачей, ввиду влияния паразитных параметров электрических элементов. На малых частотах индуктивное сопротивление много больше активного сопротивления, на больших частотах могут проявиться влияние паразитных емкостей, сопротивления, а также может внести свой вклад излучение электромагнитной волны. Поэтому, получение непротиворечивых экспериментальных данных несколькими способами повышает их достоверность. К наиболее интересным полученным данным, на наш взгляд, можно отнести примерно линейную зависимость сопротивления от частоты в диапазоне частот до 10 МГц, а также выявление особенностей скин-эффекта при воздействии сильных токов. Остановимся на этом вопросе подробнее. Напряженность магнитного поля Н в ферромагнитной пленке по закону Био-Савара-Лапласа при амплитуде тока, соответствующей началу исчезновения эффекта I = 100 А Н4 кА/м. Значение индукции в ферромагнитной пленке при µ~103 составляет несколько Тесла, т.е. пленка должна находиться в насыщении. Однако, кратковременность возникновения насыщения вблизи точки максимума тока может привести, с одной стороны, к маскировке эффекта, т.е. его можно не заметить при измерениях, с другой стороны – насыщение может не успеть возникнуть [3]. Действительно, оценку можно сделать, если воспользоваться выражением, взятым из [3], определяющим глубину слоя насыщения Δ  где Q – интеграл от тока по времени (заряд, который протек через двухслойный проводник за время действия импульса), ρ – удельное сопротивление ферромагнитного материала, Bm –индукция насыщения, r3- радиус. Из этого выражения можно оценить длительность действия тока амплитудой 100 А, при которой толщина скин-слоя не превысит толщины ферромагнитной ленты. Оценка дает длительность примерно 100 нс. Исходя из того, что четверть периода при частоте 2 МГц составляет 125 нс, можно утверждать, что оценка тока насыщения не противоречит модели, предложенной в [3]. Какие практические выводы могут последовать из полученных данных. На наш взгляд, полученные результаты можно использовать при подавлении высокочастотных перенапряжений, возникающих на подстанциях при работе разъединителей. Возникающие токи амплитудой несколько ампер имеют частоту, в зависимости от емкости ошиновки, больше 1 МГц . Следовательно их можно подавлять с помощью резисторов, разработанных на основе исследованных макетов. Для грозовых перенапряжений, имеющих значения токов в килоамперном диапазоне, необходимо искать другой вариант, при котором не будет возникать магнитное насыщение. Заключение Проведенные измерения показывают, что эффект примерно пропорционального увеличения сопротивления с ростом частоты реально существует. По мере роста тока этот эффект в цилиндрических проводниках ослабляется, что связано с магнитным насыщением ферромагнитной ленты и проникновением тока в неферромагнитный проводник. Литература
Cведения об авторах: Коробейников Сергей Миронович, окончил физический факультет Новосибирского государственного университета в 1973 г., кандидат технических наук (1983), доктор физико-математических наук (1998, тема «Пузырьковая модель зажигания импульсного электрического разряда в жидкостях»), заведующий кафедрой «Безопасность труда» Новосибирского государственного технического университета. Область научных интересов: высоковольтная электрофизика. Количество научных трудов – более 80, год рождения 1950, e-mail: kor_ser_mir@ngs.ru Монографии: Коробейников С.М., Ушаков В.Я., Климкин В.Ф., Лопатин В.В. «Пробой жидкостей при импульсном напряжении», Монография, Томск, Изд-во НТЛ, 2005, 480 с. Ushakov V.Ya., Klimkin V.F., Korobeynikov S.M. Impulse Breakdown of Liquids. - Berlin: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007. - 398 c. Домашний адрес и телефон: 630108, г. Новосибирск, ул. Широкая 5, кв. 81, т./факс 8-383-3464311. 2. Мелехов Александр Викторович, окончил физический факультет Новосибирского государственного университета в 1975 г., кандидат технических наук по специальности «Техника высоких напряжений» (2008, тема «Исследования предпробивных процессов в воде с приэлектродными пузырьками в микросекундном диапазоне»), старший научный сотрудник института лазерной физики СО РАН, доцент кафедры «Безопасность труда» Новосибирского государственного технического университета. Область научных интересов: физика плазмы, высоковольтная электрофизика. Количество научных трудов – более 80, год рождения 1953, e-mail: R.V.Melehova@inp.nsk.su 3. Илюшов Николай Яковлевич, окончил радиотехнический факультет высшего военно-морского училища радиоэлектроники им. А.С. Попова в 1980 году, старший преподаватель кафедры «Безопасность труда» Новосибирского государственного технического университета. Область научных интересов: чрезвычайные ситуации, высоковольтная техника. Количество научных трудов – 5, год рождения 1957, e-mail: kamchatka1234@rambler.ru Реферат. Измерения сопротивления двухслойного проводника резонансным способом Проведены экспериментальные исследования сопротивления двухслойного цилиндрического проводника, состоящего из медной трубки и ферромагнитной ленты. Показано, что сопротивление прямо пропорционально частоте при пропускании малых токов. При токах больше 100 А, когда достигается магнитное насыщение ферромагнитного материала этот аномальный скин эффект превращается в обычный скин эффект в медном проводнике, что приводит к переключению тока из ферромагнитной ленты в медную часть проводника. Resistance study of two-layer conductor by resonance method Experimental studies of two layer cylindrical conductor consisted of cooper tube and ferromagnetic band cover were provided. It was shown that resistance is proportional to frequency at the action of low currents. This effect disappears when currents are more than 100 A. The reason is magnetic saturation of ferromagnetic material. After saturation anomalous skin effect in cover transforms into routine skin effect in cooper conductor and current is switched from ferromagnetic band into cooper conductor. Подписи к рисункам Рис. 1. а - схематичное изображение образца (1) с токопроводом (2); б – электрическая эквивалентная схема – Z. Рис. 2. Принципиальная электрическая схема измерений. U0 = 115 кВ, C0 = 0,35 нФ, R1 = 2,1 кОм, R2 = 50 Ом, Rш = 0.3 Ом. Рис. 3. Типичные осциллограммы токов (верхний рисунок) и расчетные значения сопротивлений (нижний рисунок). 1 - образец, 2 – сравнительная нагрузка, 3 – их разница (C0 = 0.325 нФ, U0 = 5 кВ). Рис. 4. Зависимость (Rz – RL) от частоты f. 1 – высоковольтные измерения (In 10102 А); 2 – низковольтные измерения (In ≤ 0.5 А). Рис. 5. Зависимость (Rz-RL) от амплитуды тока для частоты f 2 МГц (C0 = 5 нФ).       |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Протокол №2 заседания комиссии по формированию и подготовке резерва... Члены комиссии: Савенков А. И., Козодёров А. В., Мочалов Д. В., Коробейников А. С., Колобаев В. Ф., Малышев С. А., Пивовар Г. А.,... | | Протокол № заседания комиссии по формированию и подготовке резерва... Члены комиссии: Савенков А. И., Козодёров А. В., Мочалов Д. В., Коробейников А. С., Колобаев В. Ф., Малышев С. А., Пивовар Г. А.,... |
