УПРАВЛЯЕМЫЙ ШУНТИРУЮЩИЙ РЕАКТОР Российский патент 1999 года по МПК H01F29/14 

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в качестве регулируемого (плавно и ступенчато) индуктивного сопротивления, в частности, в качестве регулируемого статического компенсатора реактивной мощности для повышения пропускной способности электрических сетей, в качестве регулятора косинусинусных батарей конденсаторов, а также в качестве дугогасящего устройства при однофазных коротких замыканиях в сетях с изолированной нейтралью.

Известна конструкция управляемого реактора для регулируемого потребления избыточной реактивной мощности, обмотка управления которого разделена на несколько секций с целью ограничения содержания высших гармонических в кривой тока реактора. (Патент России N 2065654, 1994).

Недостатком этой конструкции является необходимость разделения обмотки на несколько изолированных друг от друга слоев, управляемых порознь. Помимо усложнения конструкции обмотки управления этот реактор имеет большое число отводов, усложняющих конструкцию реактора и требующих устройства большого количества изоляционных выводов на крышке бака реактора.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является управляемый реактор трансформаторного типа фирмы ВВС (K.Reichert, J.Kauferle, H. Glavitsch. Controllable reactor for more extensive utilization of voltage transmission systems. CIGRE - 1974, Rep. 31-04) с управляющими обмотками в каждой фазе, шунтированными встречно-параллельно включенными тиристорными блоками и с компенсационными обмотками в каждой фазе, соединенными в треугольник, предназначенными для подавления третьей гармонической в токе реактора. Для плавного регулирования тока в основной обмотке такого реактора изменяют угол отпирания тиристоров. Недостатком такой конструкции является высокий уровень высших гармонических в токе реактора, вызванных тем, что при неполных углах проводимости тиристоров в течение части полупериода питающего напряжения тиристоры не пропускают ток. Другим недостатком такой конструкции реактора является повышенный уровень мощности в номинальном режиме (до 2% от номинальной мощности).

Данное изобретение устраняет указанные недостатки.

Техническим результатом изобретения является ограничение высших гармонических в токе основной обмотки реактора до любого наперед заданного уровня, уменьшение добавочных потерь от магнитного потока вне магнитопровода и, как следствие, уменьшение полных потерь в реакторе; отсутствие выпрямленного тока в обмотках определяет практическую безинерционность реактора (время изменения тока реактора от минимального (холостой ход) до номинального составляет 10-20 мсек.).

Технический результат достигается тем, что в управляемом шунтирующем реакторе, содержащем основную обмотку, управляющую обмотку с управляющими ключами, управляющие ключи соединены параллельно с управляющей обмоткой, один из ключей соединен с управляющей обмоткой накоротко, а последовательно с другими ключами установлены дополнительные дроссели, ограничивающие ток в управляющей обмотке, основные стержни магнитопровода имеют не менее одного разрыва, увеличивающего ток холостого хода реактора, а эффективное сечение ярем на 10-20% больше эффективного сечения основных стержней магнитопровода.

Между управляющей и основной обмотками расположена компенсационная обмотка.

Торцевые части обмоток сверху и снизу прикрыты витыми кольцевыми шунтами, состыкованными через изоляционные прокладки соответственно с верхним и нижним ярмами магнитопровода, причем внешний и внутренний диаметры выбраны в пределах
от d₁₂ + a₁₂ + a₁ до d₁₂ + a₁₂ + 2a₁ и
d₁₂ - a₁₂ - a₂ до d₁₂ - a₁₂ - 2a₂, где
a₂ - толщина управляющей обмотки.

Вместо кольцевых шунтов для улавливания магнитного потока могут быть использованы ярма увеличенной ширины. В этом случае ширина ярем магнитопровода и ширина боковых стержней магнитопровода выполнены в пределах
от d₁₂ + a₁₂ + a₁ до d₁₂ + a₁₂ + 2a₁, где
d₁₂ - средний диаметр зазора между основной и управляющей обмотками,
a₁₂ - толщина (радиальный размер) зазора между основной и управляющей обмотками;
a₁ - толщина основной обмотки.

Над верхним и под нижним ярмами магнитопровода расположены поперечные шунты прямоугольного сечения с вертикальным расположением листов электрической стали, длина которых равна ширине ярем магнитопровода, а ширина равна диаметру основных стержней магнитопровода, над которыми расположены шунты.

Сущность изобретения поясняется на фигурах:
Фиг. 1. Принципиальная электрическая схема обмоток трехфазного реактора и цепей его управления, где:
1 - основная обмотка,
2 - компенсационная обмотка,
3 - управляющая обмотка,
4, 5, 6, 7 - управляющие ключи (тиристорные блоки),
8, 9, 10 - добавочные дроссели в цепях управления.

Фиг. 2. Принципиальная электрическая схема обмоток однофазного реактора и цепей его управления.

Фиг. 3. Схема расположения обмоток реактора пофазного исполнения относительно магнитопровода, где:
11 - основной стержень магнитопровода,
12 - ярмо магнитопровода,
13 - боковой стержень магнитопровода,
1 - основная обмотка,
2 - компенсационная обмотка,
3 - управляющая обмотка,
14 - кольцевой шунт,
15 - поперечные шунты с прямоугольным поперечным сечением.

Фиг. 4. Схема распространения магнитного потока в кольцевом шунте указана линиями со стрелками.

Фиг. 5. Схема расположения обмоток реактора относительно магнитопровода с расширенными ярмами и с поперечными шунтами.

Фиг. 6. Схема распределения магнитного потока по поперечному сечению ярма с помощью поперечного шунта.

Управляемый шунтирующий реактор работает следующим образом.

Последовательное замыкание управляющих ключей 4, 5, 6 и 7 (Фиг. 1, 2) приводит к ступенчатому увеличению тока через основную обмотку 1 реактора от мощности холостого хода (при разомкнутых управляющих ключах) до номинальной мощности (при замкнутом ключе 7). Таким образом, в номинальном режиме ветви цепи управления с добавочными дросселями 8, 9, 10 в цепях управления не используются.

При использовании в качестве управляющих ключей 4, 5, 6, 7 тиристорных блоков обеспечивается возможность плавного изменения тока на каждой ступени регулирования.

При этом в случае непрерывного регулирования создаваемые высшие гармонические в кривой тока коммутируемого тиристорами контура управления индуцируют противоЭДС в короткозамкнутых контурах предыдущих ступеней. В результате содержание высших гармонических в магнитном потоке ограничивается, что и приводит к ограничению высших гармонических в токе основной обмотки 1 реактора до любого наперед заданного уровня.

Наиболее эффективно ограничиваются высшие гармонические, когда полное приращение тока основной обмотки 1, обусловленное коммутируемой ступенью, меньше либо немного превосходит (в пределах 10-20%) ток основной обмотки 1, обусловленный всеми предыдущими ступенями. Например, можно рекомендовать следующий ряд основной обмотки 1 в результате последовательного ввода параллельных контуров: 10%, 21,5%, 47,2%, 100%. При этом при полном вводе каждой последующей ступени (при непрерывной проводимости тиристорных блоков 4, 5, 6 или при замкнутом управляющем ключе 7) высшие гармоники в токе основной обмотки 1 реактора полностью отсутствуют.

Отличительной особенностью управляемого реактора трансформаторного типа является то обстоятельство, что в номинальном режиме при короткозамкнутой управляющей обмотке 3 магнитный поток почти полностью вытесняется из объема, расположенного внутри управляющей обмотки 3, в пространство между основной обмоткой 1 и управляющей обмоткой 3, а также в область, занятую этими обмотками. Для того, чтобы не допустить больших добавочных потерь, в частности, в баке реактора, этот поток необходимо собрать и направить в магнитопровод. Эта задача может быть решена двумя различными путями.

В одном из них торцевые части обмоток и зазор между обмотками прикрываются сверху и снизу витыми кольцевыми шунтами 14 с радиальным разрезом, исключающим протекание наведенных токов по шунту 14, примыкающими к верхнему и нижнему ярмам реактора (Фиг. 3). Магнитный поток в кольцевом шунте 14 направляется по четырем разным направлениям (Фиг. 4) к ярму 12 и далее по ярму 12 направляется либо в боковые стержни при пофазном исполнении реактора, либо замыкается по путям потоков других фаз.

Согласно другому варианту ширина ярма 12 принимается равной или близкой к наружному диаметру основной обмотки 1 реактора. В этом случае в номинальном режиме работы реактора вытесненный из основных стержней 11 магнитный поток улавливается непосредственно ярмами 12. Для обеспечения равномерного распределения магнитного потока по сечению ярем 12 во всех режимах работы реактора (от холостого хода до номинального режима) над верхним ярмом 12 и под нижним ярмом 12 укрепляются поперечные шунты 15 с прямоугольным поперечным сечением (фиг. 5) таким образом, что листы электротехнической стали расположены вертикально и перпендикулярно листам ярем. Например, в режиме холостого хода реактора, когда весь магнитный поток сосредоточен в основном стержне (в основных стержнях при трехфазном исполнении) значительную часть магнитного потока необходимо вывести из части ярем, сшихтованной со стержнями (имеющей ширину стержней), и направить в боковые части ярем (фиг. 6).

В обоих случаях в режиме максимального содержания третьей гармонической около 70% магнитного потока вытесняется из основного стержня магнитопровода. Поэтому для подавления третьей гармонической известным способом путем соединения в треугольник специальной компенсационной обмотки 2 необходимо расположить компенсационную обмотку 2 снаружи обмотки управления 1, являющейся генератором высших гармонических в кривой тока реактора, либо путем соединения в треугольник управляющей обмотки 3.

Поскольку напряжение на реакторе сохраняется практически неизменным независимо от режима его работы, должно быть неизменным и потокосцепление с основной обмоткой реактора. Вытеснение магнитного потока из основного стержня приводит к тому, что его часть не сцепляется со всеми витками основной обмотки 1. Это обстоятельство определяет необходимость увеличения полного потока в воздухе по сравнению с потоком в основном стержне. Коэффициент усиления потока в воздухе в номинальном режиме по сравнению с потоком в основном стержне в режиме холостого хода определяется формулой

где
d₁₂ и a₁₂ - средний диаметр и толщина (радиальный размер) зазора между основной обмоткой 1 и обмоткой управления 2, a₁ и a₂ - толщины (радиальные размеры) основной обмотки 1 и обмотки управления 2.

Соответственно сечение магнитных шунтов, собирающих магнитный поток и направляющих его в ярма, должно выбираться с учетом увеличения магнитного потока в воздухе.

Магнитный поток в ярмах меньше магнитного потока в воздухе, но больше магнитного потока в основном стержне. Коэффициент усиления магнитного потока в ярмах в номинальном режиме по сравнению с потоком в основном стержне в режиме холостого хода определяется формулой

Соответственно необходимо увеличить сечение ярем по сравнению с сечением основных стержней на этот коэффициент.

Для достижения необычно высокого для трансформаторов напряжения короткого замыкания необходимо обеспечить определенные соотношения конструктивных параметров реактора в соответствии с формулой

где
U_ф - эффективное значение фазового напряжения;
I_н - эффективное значение номинального тока;
f - номинальная частота;
N₁ - число витков в основной обмотке реактора;
l_в - длина воздушного промежутка между кольцевыми шунтами;
B₀ - амплитудное значение магнитной индукции в стали;
F_ст - эффективное сечение основного стержня магнитопровода;
F_эк.в - эквивалентное сечение магнитного потока в воздухе

Из формул (3) - (4) следует, что увеличение напряжения короткого замыкания U_k% при заданных значениях U_ф; I_н; f; можно обеспечить путем увеличения числа витков основной обмотки N₁, величины зазора a₁₂, толщины обмоток a₁ и a₂, а также уменьшением длины воздушного промежутка между кольцевыми шунтами l_в.

Для того, чтобы обеспечить отсутствие высших гармонических в токе реактора на промежуточных ступенях регулирования необходимо ограничить ток в управляющей обмотке 3 при замкнутых управляющих ключах 4, 5, 6 промежуточных ступеней. С этой целью последовательно с управляющими ключами 4, 5, 6 промежуточных ступеней регулирования включаются дроссели 8, 9, 10, рассчитанные на ограничение тока промежуточных ступеней до заданного уровня. Эти дополнительные дроссели 8, 9, 10 могут быть выполнены в отдельных баках либо в одном баке, отдельно от бака основного реактора.

Управляемый шунтирующий реактор предназначен для использования в качестве регулируемого статического компенсатора реактивной мощности для повышения пропускной способности электрических сетей, в качестве регулятора косинусинусных батарей конденсаторов, а также в качестве дугогасящего устройства при однофазных коротких замыканиях в сетях с изолированной нейтралью. Техническим результатом изобретения является ограничение высших гармонических в токе основной обмотки реактора до любого наперед заданного уровня, уменьшение добавочных потерь от магнитного потока вне магнитопровода и, как следствие, уменьшение полных потерь в реакторе; отсутствие выпрямительного тока в обмотках определяет практическую безинерционность реактора, поскольку время изменения тока реактора от минимального (холостой ход) до номинального составляет 10 - 20 мс. Управляемый шунтирующий реактор содержит магнитопровод, основную обмотку 1 и управляющую обмотку 3 с управляющими ключами 4, 5, 6, 7, соединенными параллельно с управляющей обмоткой 3. Один из ключей 7 соединен с управляющей обмоткой 3 накоротко, а последовательно с другими ключами установлены дополнительные дроссели 8, 9, 10, ограничивающие оси в управляющей обмотке 3. Компенсационная обмотка 3 расположена между управляющей и основной 1 обмотками. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Управляемый шунтирующий реактор, содержащий магнитопровод, основную обмотку и управляющую обмотку с управляющими ключами, отличающийся тем, что управляющие ключи соединены параллельно с управляющей обмоткой, один из управляющих ключей соединен с управляющей обмоткой накоротко, а последовательно с другими управляющими ключами установлены дополнительные дроссели, ограничивающие ток в управляющей обмотке, причем магнитопровод имеет основные и боковые стержни, основные стержни имеют не менее одного разрыва, увеличивающего ток холостого хода реактора, а эффективное сечение ярем на 10 - 20% больше эффективного сечения основных стержней магнитопровода. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что между управляющей обмоткой и основной обмоткой расположена компенсационная обмотка. 3. Реактор по п.1 или 2, отличающийся тем, что ширина ярем магнитопровода и боковых стержней магнитопровода выполнены в пределах от d₁₂ + a₁₂ + a₁ до d₁₂ + a₁₂ + 2a₁, где d₁₂ - средний диаметр зазора, a₁₂ - толщина зазора между основной обмоткой и управляющей обмоткой, a₁ - толщина основной обмотки, над верхним и под нижним ярмами магнитопровода расположены поперечные шунты прямоугольного сечения, длина которых равна ширине ярем магнитопровода, а ширина равна диаметру основных стержней магнитопровода. 4. Реактор по п.1 или 2, отличающийся тем, что торцевые части обмоток сверху и снизу прикрыты кольцевыми шунтами, состыкованными через изоляционные прокладки соответственно с верхним и нижним ярмами магнитопровода, причем внешний и внутренний диаметры шунтов выбраны в пределах от d₁₂ + a₁₂ + a₁ до d₁₂ + a₁₂ + 2a₁ и от d₁₂ - a₁₂ - a₂ до d₁₂ - a₁₂ - 2a₂, где a₂ - толщина управляющей обмотки.