ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ ТРЕХФАЗНЫЙ РЕАКТОР Российский патент 1999 года по МПК H01F29/14 H01F21/08 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим реакторам, и может быть использовано для мощных шунтирующих реакторов с регулируемой реактивной мощностью, устанавливаемых, например, в линиях электропередач для компенсации реактивной мощности.

Известен электрический управляемый подмагничиванием шунтирующий реактор [1] , содержащий замкнутый однофазный магнитопровод, который имеет два стержня и два ярма, двухсекционную сетевую обмотку и многосекционную обмотку управления. На каждом стержне расположены секция сетевой обмотки и секции обмотки управления. В качестве регулируемого источника подмагничивания постоянного тока используется вспомогательный трансформатор и управляемые вентили (тиристоры), соединенные с секциями обмотки управления в соответствующую схему.

Устройство по [1] - однофазное. Поэтому в трехфазной сети необходимо применить 3 однофазных управляемых реактора. При этом необходимо использовать 3 регулируемых источника подмагничивания, что связано с усложнением трехфазного реактора, увеличением затрат материалов. Кроме того, в устройстве [1] обмотка управления имеет много секций, что усложняет реактор, повышает расходы при изготовлении реактора, а в конечном счете ведет к снижению технико-экономических показателей.

Частично недостатки устройства [1] устранены в известном трехфазном управляемом подмагничиванием реакторе [2], являющемся наиболее близким по технической сущности к предлагаемому. Он содержит три замкнутых однофазных стержневых магнитопровода, каждый из которых имеет два стержня и ярмо, а также двухсекционные обмотки. На каждом стержне расположены секция сетевой обмотки и секция еще одной обмотки (в прототипе эта обмотка называется компенсационной). Две секции сетевой обмотки, размещенные на каждом магнитопроводе, соединены параллельно и присоединены по схеме звезда к трехфазной сети. В реакторе-прототипе имеются также еще три обмотки управления, размещенные на ярмах, 3 регулируемых источника постоянного тока подмагничивания, а также компенсирующий дроссель.

Недостатками устройства [2], взятого в качестве прототипа, являются его низкие технико-экономические показатели. В устройстве [2] увеличенное число секций обмоток вызывает увеличенные затраты в производстве и расходы материалов; расположение обмоток управления на ярме, а не на стержне приводит к снижению мощности реактора, возникновению большого магнитного поля рассеяния и увеличению добавочных потерь в конструкции. Наличие компенсирующего дросселя усложняет конструкцию и приводит к недостаточной компенсации высших гармоник в токе реактора. Наличие трех источников постоянного тока усложняет схему регулирования и увеличивает расход материалов.

Целью изобретения является повышение технико-экономических показателей реактора путем уменьшения расхода активных материалов за счет упрощения обмоток и введения в них новых связей, уменьшения числа источников постоянного тока при одновременном улучшении гармонического состава сетевого тока реактора.

Поставленная цель достигается тем, что электрический управляемый подмагничиванием трехфазный реактор содержит три замкнутых однофазных стержневых магнитопровода, каждый из которых имеет два стержня, а также двухсекционную сетевую обмотку и двухсекционную обмотку управления. На каждом стержне расположены секция сетевой обмотки и секция обмотки управления. При этом секции сетевой обмотки, размещенные на каждом магнитопроводе, соединены параллельно и присоединены к трехфазной сети. Имеется также регулируемый источник подмагничивания постоянного тока.

Отличительным признаком является то, что три секции обмотки управления на одних стержнях трех магнитопроводов соединены последовательно в открытый треугольник, а три секции обмотки управления других стержней магнитопроводов соединены последовательно во второй открытый треугольник, при этом два открытых треугольника соединены параллельно и подключены к регулируемому источнику постоянного тока подмагничивания.

Для получения допустимого уровня искажения тока реактора из-за высших гармоник в номинальном режиме отношение номинальной индуктивности реактора L_н к индуктивности секции сетевой обмотки при полном насыщении стали стержня L_насыщ. находится в пределах
1,5 < L_н/L_насыщ. < 3,
где L_н = U_н/ωI_н;
L_насыщ = 0,5μ₀W²π(D_ср-a/3)²/4h;
U_н и I_н - номинальные напряжение и ток реактора;
ω = 2πf - круговая частота сети, f - частота сети;
μ₀ = 0,4π•10^-6Гн/м - - магнитная постоянная;
W, D_ср, a и h - число витков, средний диаметр, радиальный размер и высота секции сетевой обмотки.

Новым в предлагаемом изобретении является установление новых связей между элементами - соединение двух групп секций обмотки управления в два открытых треугольника, их параллельное соединение и подключение к источнику постоянного тока подмагничивания, а также пределы отношения L_н/L_насыщ от 1,5 до 3,0.

Новые признаки, отличающие предлагаемое изобретение от прототипа, в аналогах не выявлены. Наличие в магнитопроводах прототипа одного ярма вместо двух ярем, как это есть в предлагаемом изобретении, является не принципиальным. Так как этот признак (два ярма) есть в аналоге, то он не отражен в формуле предполагаемого изобретения.

Устройство поясняется чертежами. На фиг. 1 показана схема размещения секций обмоток на стержнях магнитопровода и их соединений, на фиг. 2 даны осциллограммы токов в секциях обмоток и индукции в стержне.

Электрический управляемый подмагничиванием трехфазный реактор состоит из трех замкнутых стержневых однофазных магнитопроводов 1, каждый из которых имеет два стержня 2 и два ярма 3. На каждом из шести стержней расположена секция сетевой обмотки 4 и секция обмотки управления 5. Секции 4 и 5 могут быть размещены концентрически, секция 5 - ближайшая к стержню. Каждые две секции 4 сетевой обмотки каждого стержня 2 соединены между собой параллельно (узлы A и X, B и Y, C и Z) и собраны в трехфазную схему (звезда с выведенной нейтралью O). Три секции обмотки управления 5, принадлежащие одному (левому) стержню 2 каждого магнитопровода соединены последовательно в первый открытый треугольник 6, три другие секции обмотки управления, принадлежащие другому (правому) стержню каждого магнитопровода, соединены последовательно во второй открытый треугольник 7. Эти два открытых треугольника соединены между собой параллельно и подключены к "плюсу" и "минусу" регулируемого источника постоянного напряжения подмагничивания 8 (управляемый выпрямитель-преобразователь). Для изменения во времени тока подмагничивания в соответствии с заданным алгоритмом регулирования реактивной мощности реактора имеется система регулирования 9. В схеме реактора может быть использован элемент 10, в состав которого входит резистор и разрядник, для шунтирования и защиты от перенапряжений источника 8.

На осциллограммах установившегося режима работы реактора показаны кривые линейных токов трех фаз 11, 12 и 13, токов 14 и 15 в двух секциях сетевой обмотки 4 соседних стержней 2, токов 16 и 17 в секциях обмотки управления на этих же стержнях и в открытых треугольниках, а также индукция 18 в одном стержне и индукция 19 в немагнитном промежутке между стержнем и обмоткой управления.

Управляемый подмагничиванием трехфазный реактор, выполненный в соответствии с формулой предлагаемого изобретения, работает следующим образом.

При подключении реактора к трехфазной сети (фазы A, B и C) и отсутствии тока подмагничивания возникает режим наименьшего рабочего тока, т.е. режим минимальной мощности реактора. При этом в каждом стержне реактора существует переменный магнитный поток, указанный на фиг. 1 сплошными стрелками. В секциях обмотки управления 5 магнитный поток наводит переменную ЭДС. На зажимах источника постоянного тока напряжение при этом будет равно нулю, т. к. сумма напряжений в двух открытых треугольниках из-за сдвига фаз в трехфазной сети всегда равна нулю: U_a1x1 + U_b1y1 + U_c1z1 = 0 и U_a2x2 + U_b2y2 + U_c2z2 = 0.

При большом токе подмагничивания, который создает источник постоянного тока, возникает режим максимальной мощности реактора, когда все стержни реактора насыщены, т.е. индукция в стержнях во все моменты времени в течение периода сети больше индукции насыщения B_s. Магнитный поток (его постоянная составляющая) показан на фиг. 1 пунктирными стрелками. В этом режиме дифференциальная индуктивность секций сетевых обмоток в течение всего периода одна и та же, она равна индуктивности обмоток, в которых сталь отсутствует (из-за ее полного насыщения). В режиме максимальной мощности сетевой ток реактора поэтому практически синусоидален. Переменная составляющая магнитного потока в этом режиме (так же, как и в режиме минимальной мощности, так же, как и во всех других режимах) наводит в секциях обмотки управления переменные ЭДС, сумма которых на зажимах открытых треугольников, т.е. на клеммах источника постоянного напряжения, всегда равна нулю. Это важно для нормальной работы источника 8.

Следует пояснить, что направление всех секций обмоток реактора (сетевой и управления) может быть одинаковым (все "левые" или все "правые") или различным, что не является принципиальным. В варианте на фиг. 1 на каждом однофазном стержне одна секция сетевой обмотки - "левая", другая - "правая", что изображается "волнами" разного направления и различно расположенными точками около "начала" секций обмоток (одна наверху, другая - внизу). Такое соединение обеспечивает встречное направление переменных магнитных потоков в соседних стержнях. Секции обмотки управления на соседних стержнях магнитопровода имеют одно и то же направление намотки. На фиг. 1 обе секции - "левые", что обозначено одинаковым направлением "волн" и одинаковым расположением точек около "начала" секций обмоток. При этом схема соединения обеспечивает согласное направление магнитных потоков, создаваемых током подмагничивания от регулируемого источника 8. Возможен и другой вариант сочетаний направлений намоток секций, когда переменные магнитные потоки направлены в соседних стержнях согласно, а постоянные магнитные потоки - встречно. По отношению к основным электромагнитным процессам эти два режима равнозначны, но в зависимости от применяемых мер по снижению добавочных потерь из-за паразитных магнитных потоков имеет преимущество либо первый, либо второй вариант.

Кроме рассмотренных предельных режимов - наименьшей и наибольшей мощности реактора, возможны и другие промежуточные режимы. В промежуточных режимах при меньших, чем предельный, токах подмагничивания каждый стержень находится в насыщенном состоянии только определенную часть периода, т.к. на переменный магнитный поток, создаваемый секциями сетевой обмотки, накладывается постоянный ("смещенный" от нулевой линии) магнитный поток, и при этом только при совпадении знаков магнитных потоков возникает насыщение стержня.

В качестве примера на фиг. 2 приведена иллюстрация этих процессов. На верхних графиках кривые 11, 12 и 13 соответствуют линейным токам, ниже даны кривые тока в двух секциях сетевой обмотки одного стержня 14 и 15 (в других фазах токи такие же, но смещены на 120 градусов). Еще ниже даны кривые токов в секциях обмотки управления этого стержня 16 и 17 (они такие же, как и в других стержнях, т.к. секции соединены последовательно). Как видно, в данном режиме линейные токи близки к синусоидальным, в то время как токи в секциях сетевой обмотки резко несинусоидальные. Это происходит потому, что все четные высшие гармоники в токе двух секций стержня замыкаются в контуре их параллельного соединения и не выходят наружу в ток сети.

В то же время токи гармоник, кратных трем, замыкаются в треугольниках секций обмоток управления (заметно, что в токе управления выражена 6-я гармоника). На нижней кривой 18 видно, что индукция в стержне около половины периода меньше индукции насыщения B_s, а в другой части периода - больше индукции насыщения. В эти отрезки времени насыщения стержня возникает магнитное поле в канале между стержнем и секцией обмотки управления (секции обмотки управления и сетевой обмотки размещены коаксиально), что подтверждает кривая индукции в этом канале 19.

Указанные обстоятельства, обуславливающие небольшие нелинейные искажения в линейных токах реактора, являются одним из самых главных преимуществ предлагаемого управляемого реактора по сравнению с прототипом. Оно достигнуто за счет введения новых связей между элементами известного устройства-прототипа - соединения секций обмотки управления в два параллельных открытых треугольника. Кроме этого, в предлагаемом реакторе упрощается конструкция за счет снижения числа стержней с обмотками: в прототипе кроме стержней с секциями сетевой обмотки имеется ярмо с обмоткой управления, что приводит к увеличению расхода проводниковой меди, электротехнической стали и электрической изоляции, а также к увеличению затрат в производстве реактора. Аналогичный эффект экономии получается за счет применения в предлагаемом реакторе одного регулируемого источника постоянного тока подмагничивания вместо трех в прототипе.

Кроме того, расположение в прототипе обмотки управления не на "главном" стержне, а на ярме магнитопровода, приводит к возникновению неблагоприятного поля рассеяния, создающего добавочные потери в элементах конструкции. Этого недостатка нет в предлагаемом реакторе.

Для того, чтобы в режиме номинальной мощности ток искажения (т.е. содержание в токе высших гармоник) был в допустимых пределах, отношение номинальной индуктивности L_н к индуктивности секции сетевой обмотки при полном насыщении стали стержня L_насыщ. должно находиться в пределах
1,5 < L_н/L_насыщ < 3, (1)
где L_н = U_н/ωI_н,
L_насыщ = 0,5μ₀W²π(D_ср-a/3)²/4h,
U_н и I_н- номинальные напряжение и ток реактора,
ω = 2πf - круговая частота сети, f - частота сети,
μ₀ = 0,4π•10^-6Гн/м - магнитная постоянная,
W, D_ср, a и h - число витков, средний диаметр, радиальный размер и высота секции сетевой обмотки.

Дополнительные расчеты, которые при необходимости могут быть предоставлены экспертизе, показывают, что при отношении L_н/L_насыщ. = 2 номинальный ток реактора теоретически является чисто синусоидальным, а при условии
1,5 < L_н/L_насыщ < 3
в токе реактора содержатся высшие гармоники, однако при этом ток искажения составляет не более 5%. Величина тока искажения не более 5% диктуется основными техническими требованиями, предъявляемыми к реактору, и содержится обычно в нормативных документах (стандартах, технических условиях и др.). Если L_н/L_насыщ < 1,5 или L_н/L_насыщ > 3, то ток искажения получается более 5%.

Следует указать, что номинальные напряжение и ток могут быть выражены через размеры реактора и удельные нагрузки на основные активные материалы:

I_н = ΔS_пр,
где S_ст = πD2ст

Таким образом, условие (1) по существу является условием выполнения определенного соотношения размеров реактора.

В итоге предлагаемый реактор имеет преимущества в технико-экономических показателях по сравнению с прототипом.

Предлагаемый трехфазный реактор может быть изготовлен в одном баке или в виде трех однофазных реакторов.

Работоспособность предлагаемого управляемого подмагничиванием трехфазного реактора и его высокие технико-экономические показатели подтверждены моделированием и расчетами.

По сравнению с базовым устройством (вращающимся синхронным компенсатором, статическим компенсатором или тиристорно-реакторной группой), выполняющим те же функции, предлагаемый управляемый подмагничиванием реактор имеет ряд преимуществ, из которых одно из главных - меньшая в 1,5-2 раза стоимость.

Использованная литература
1. Авторское свидетельство СССР N 1803934 H 01 F 29/14, Бюллетень изобретений N 11, 1993 г.

2. Авторское свидетельство СССР N 1014050 H 01 F 29/14, Бюллетень изобретений N 15, 1983 г.

Использование: в линиях электропередач для компенсации реактивной мощности. Электрический управляемый подмагничиванием трехфазный реактор содержит три замкнутых однофазных стержневых магнитопровода, каждый из которых имеет два стержня, а также двухсекционную сетевую обмотку и двухсекционную обмотку управления. На каждом стержне расположены секции сетевой обмотки и секция обмотки управления. При этом секции сетевой обмотки, размещенные на каждом магнитопроводе, соединены параллельно и присоединены к трехфазной сети. Причем три секции обмотки управления на одних стержнях трех магнитопроводов соединены последовательно в открытый треугольник, а три секции обмотки управления других стержней магнитопроводов соединены последовательно во второй открытый треугольник, при этом два открытых треугольника соединены параллельно и подключены к регулируемому источнику постоянного тока подмагничивания. Технический результат заключается в уменьшении расхода активных материалов за счет упрощения обмоток, уменьшении числа источников постоянного тока при одновременном улучшении гармонического состава сетевого тока реактора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электрический трехфазный управляемый подмагничиванием реактор, содержащий три замкнутых однофазных стержневых магнитопровода, каждый из которых имеет два стержня, а также двухсекционную сетевую обмотку и двухсекционную обмотку управления, причем на каждом стержне расположены секция сетевой обмотки и секция обмотки управления, при этом секции сетевой обмотки, размещенные на каждом магнитопроводе, соединены параллельно и присоединены к трехфазной сети, а также регулируемый источник постоянного тока подмагничивания, отличающийся тем, что три секции обмотки управления на одних стержнях магнитопроводов соединены последовательно в первый открытый треугольник, а три секции обмотки управления других стержней магнитопроводов соединены последовательно во второй открытый треугольник, при этом два открытых треугольника соединены параллельно и подключены к регулируемому источнику постоянного тока подмагничивания. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отношение номинальной индуктивности реактора L_н к индуктивности секции сетевой обмотки при полном насыщении стержня L_насыщ должно находиться в пределах
1,5 < L_н/L_насыщ < 3,
где L_н= U_н/ω•I_н;
L_насыщ= 0,5μ_oW²π(D_cp-a/3)²/4h;
U_н и I_н - номинальные напряжение и ток реактора;
ω = 2πf - круговая частота сети, f - частота сети;
μ_o= 0,4π×10^-6Гн/м - магнитная постоянная,
W, D_cp, a и h - число витков, средний диаметр, радиальный размер и высота секции сетевой обмотки.