УПРАВЛЯЕМЫЙ ШУНТИРУЮЩИЙ РЕАКТОР Российский патент 1999 года по МПК H01F29/02 

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в качестве плавно регулируемого сопротивления, в частности, в качестве статического компенсатора избыточной реактивной мощности в электрических сетях. Известен управляемый реактор для регулируемого потребления избыточной реактивной мощности, обмотка управления которого разделена на ряд секций, управляемых порознь. Кроме усложнения конструкции обмотки управления этот реактор имеет большое число выводов, усложняющих конструкцию реактора и требует большое число изоляционных выводов на крышке бака изолятора (Патент РФ N 2065654, 1994).

Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является управляемый реактор трансформаторного типа производства ВВС (K. Reivhtrt, J. Kauferle, H. Glavitsh/ Controllable reactor for more extensive utilization of high voltage transmission systems. CIGRE, Rep. 31-04, 1974) с управляющей обмоткой в каждой фазе, шунтированной блоком с встречно-параллельно включенными тиристорами, и с компенсационными обмотками в каждой фазе, соединенными в треугольник, предназначенными для компенсации третьей гармонической в токе реактора. Для плавного регулирования тока основной обмотки реактора изменяется угол зажигания тиристоров. Недостатком такой конструкции реактора является высокий уровень высших гармонических в токе реактора, обусловленный тем, что в течение части периода напряжения тиристоры не проводят ток. Другим недостатком является высокий уровень потерь мощности в номинальном режиме работы реактора (до 2% от номинальной мощности). Данное изобретение устраняет указанные недостатки.

Техническим результатом изобретения является ограничение высших гармонических в токе основной обмотки реактора до заданного уровня, уменьшение добавочных потерь от магнитного потока вне магнитного сердечника реактора и как результат - снижение полных потерь в реакторе; отсутствие выпрямленного тока в обмотках реактора определяет практическую безинерционность реактора (время изменения тока реактора от минимального - режим холостого хода - до номинального не превышает 10 мсек).

Технический результат достигается тем, что в управляемом реакторе, состоящем из замкнутого сердечника, основной обмотки, компенсационной обмотки и обмотки управления, коммутируемой тиристорным блоком, обмотка управления выполнена в виде слоев и разделена на две части, высота которых равна высоте основной обмотки, причем параллельно одной части включены устройства подавления высших гармонических в токе реактора, при этом устройства подавления высших гармонических выполнены в виде параллельных ветвей из тиристорных блоков и токоограничивающих дросселей, которые ограничивают ток в основной обмотке на каждой из ступеней регулирования до заданного уровня или устройства подавления высших гармонических выполнены в виде параллельных ветвей, состоящих из последовательно соединенных конденсаторов и дросселей, параметры которых выбраны из соотношения

где ω - промышленная угловая частота, K - номер гармоники, L_k и C_k - индуктивность и емкость в ветви подавления K-й гармоники.

Сущность изобретения поясняется на фигурах.

Фиг. 1. Принципиальная электрическая схема реактора с устройством подавления высших гармонических в токе реактора:
1 - основная обмотка,
2 - компенсационная обмотка,
3 - обмотка управления,
4 - блок тиристоров, коммутирующих обмотку управления,
5 - устройство подавления высших гармонических в токе управляемого шунтирующего реактора.

Фиг. 2. Принципиальная электрическая схема реактора с параллельным соединением управляющих цепей с блоками тиристоров и токоограничивающими дросселями:
1 - основная обмотка,
2 - компенсационная обмотка,
3 - обмотка управления,
4, 6, 8 - блоки тиристоров,
9-11 - токоограничивающие дроссели.

Фиг. 3 Эквивалентная схема управляемого шунтирующего реактора в соответствии с фиг.2:
X₁; X₂ - индуктивные сопротивления основного реактора, X₃, X_3.Д - индуктивные сопротивления токоограничивающих дросселей;
Θ - источник тока высших гармонических.

Фиг. 4. Эквивалентная схема управляемого шунтирующего реактора с контуром подавления K-й гармоники.

Фиг. 5. Принципиальная схема управляемого шунтирующего реактора с параллельным соединением фильтров,
12-14 - конденсаторы.

Устройство подавления высших гармонических состоит из нескольких контуров, параллельных одной секции обмотки управления, фиг. 1.

В одном случае эти параллельные контуры представляют собой блоки из встречно-параллельно включенных тиристоров с включенными последовательно токоограничивающими дросселями (фиг. 2), индуктивность которых выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимые ступени увеличения тока реактора после полного открытия тиристоров соответствующей ветви. Например, чтобы ограничить содержание пятой и следующих гармоник тремя процентами от номинального тока во всем диапазоне регулирования тока реактора, необходимо выбрать индуктивность токоограничивающих реакторов таким образом, чтобы обеспечить увеличение тока на каждой ступени на 10-20% от предыдущей ступени или меньше.

В этом случае ток состоит из двух частей: одна синусоидальная часть определяется предыдущими ступенями и другая несинусоидальная часть, содержание высших гармонических в которой определяется работой тиристоров в последней ветви. По этой причине (с учетом приведенного выше ограничения на приращение тока ступени) содержание высших гармонических в токе реактора по крайней мере вдвое меньше, чем при замыкании блоком тиристоров обмотки управления в целом.

Кроме того, высшие гармоники, создаваемые работой тиристоров в коммутируемой ветви, индуктируют противоЭДС в ветвях с полностью открытыми тиристорами. В результате содержание высших гармонических в магнитном потоке уменьшается и соответственно уменьшается содержание высших гармонических в токе реактора. Например, для того, чтобы обеспечить ограничение тока реактора 50% процентами от номинального тока после открытия всех тиристоров во всех ветвях, параллельных половине обмотки управления, необходимо, чтобы эквивалентное сопротивление всех параллельных ветвей (приведенное к стороне сетевого напряжения) было примерно равно номинальному сопротивлению управляемого шунтирующего реактора. Поэтому согласно схеме фиг. 3а, определяющей условия работы управляемого шунтирующего реактора при коммутации последней ступени регулирования, ток высших гармонических разделяется на две части: одна циркулирует в контуре с импедансом X₂ + X₃, другая - в контуре с импедансом X₁ + X₂. Это означает, что содержание высших гармонических в токе управляемого шунтирующего реактора уменьшается вдвое.

Анализ эквивалентных схем фиг. 3 (а, б) позволяет предложить более эффективный путь подавления высших гармонических в токе управляемого шунтирующего реактора. Действительно, если в эквивалентной схеме фиг. 3 во второй ветви добавить емкость C последовательно с индуктивностью L добавочного дросселя, получим резонансный контур, который может быть настроен на любую необходимую К-ю гармонику (K = 5; 7; 11; 13 и т.д.).

В этом случае фиг. 4а преобразуется к схеме фиг. 4б, в для любой K-й гармоники. И поскольку X₁ > X₂ (X₁ > 100X₂), большая часть высших гармонических будет циркулировать в контуре X₂-X₃, а в контуре X₁-X₂ будет циркулировать только малая часть высших гармонических.

Для того, чтобы получить эквивалентную схему фиг. 4, необходимо преобразовать схему фиг. 3 (см. фиг. 5). В этом случае не нужно использовать тиристорные блоки в параллельных ветвях, поскольку их реактивное сопротивление на промышленной частоте равно

и вполне достаточно, чтобы ограничить ток промышленной частоты, тогда как для K-й гармоники реактивное сопротивление соответствующей ветви

Расчеты показали, что оптимальный ток промышленной частоты, когда тиристорный блок в схеме фиг. 4а полностью заперт (не проводит ток) в ветви, фильтрующей K-ю гармонику,

где I_ХХr - ток холостого хода реактора, I_ном - номинальный ток реактора, α_k - отношение тока основной обмотки, вызванного наличием K-го фильтра при запертых тиристорах, к номинальному, β_k - максимальная относительная величина тока K-й гармоники (по отношению к номинальному току), δ - отношение сопротивлений короткого замыкания управляемого шунтирующего реактора при шунтировании половины обмотки управления.

По этой причине индуктивность дросселей в ветвях

и емкость в соответствующей ветви

где Х_ном - номинальное индуктивное сопротивление.

Компенсационные обмотки третьей гармоники всех фаз соединяются в треугольник.

Управляемый шунтирующий реактор работает следующим образом.

Последовательное отпирание тиристоров в схеме фиг. 2 приводит к постепенному увеличению тока через основную обмотку реактора 1 от тока холостого хода (при запертых тиристорах) до номинального тока (когда полностью открыты тиристоры блока 4). Поэтому в номинальном режиме ветви контуров управления с токоограничивающими дросселями 9, 10, 11 практически не используются.

При коммутации тиристорами 6, 7, 8 параллельных ветвей контуров управления обеспечивается плавное регулирование тока реактора.

При коммутации второй и последующих ветвей управляющих контуров тиристорами создаваемые при этом токи высших гармонических индуктируют противоЭДС в короткозамкнутых контурах предыдущих ветвей. В результате высшие гармоники в магнитном потоке ограничиваются, что приводит к ограничению высших гармоник в токе основной обмотки реактора.

Высшие гармоники в токе реактора ограничиваются наиболее эффективно, если увеличение тока в основной обмотке, определяемое коммутируемой ступенью меньше или немного больше (в пределах 10-20%), чем ток в основной обмотке, обусловленный всеми предыдущими ступенями. Например, можно рекомендовать увеличение тока в основной обмотке в результате последовательного введения в работу параллельных контуров: 10%; 21,5%; 47,2%; 100%. Причем при полном открытии тиристоров на каждой ступени высшие гармоники в токе основной 1 реактора полностью отсутствуют.

В другом варианте управляемого шунтирующего реактора фиг. 5 все параллельные ветви демпфирования высших гармонических состоят из последовательного соединения конденсаторов и реакторов с одинаковым индуктивным сопротивлением для каждой высшей гармоники (K = 5; 7; 11 ...).

В этом случае ветви фильтров обеспечивают короткое замыкание части обмотки управления для соответствующего номера высшей гармонической, производимого тиристорным блоком 4. Поэтому в этой части обмотки управления индуцируется противоЭДС соответствующей частоты, что приводит к подавлению соответствующей гармоники в магнитном потоке и в токе сетевой обмотки.

Необходимо подчеркнуть, что для обеспечения эффективности работы фильтров обмотки управления должна быть слоевого типа, причем обе половины обмотки должны быть выполнены на полную высоту основной обмотки.

Выполненные эксперименты подтвердили эффективность подавления высших гармонических обоими приведенными выше способами, однако мощность элементов в контурах подавления высших гармонических (конденсаторов и дросселей) в схеме фиг. 5 в три-четыре раза меньше мощности в схеме фиг. 2. Кроме того, в схеме фиг. 5 отсутствуют тиристорные блоки в цепях подавления высших гармонических. Это позволяет утверждать, что схема фиг. 5 более предпочтительна.

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в качестве плавно регулируемого сопротивления, в частности в качестве статического компенсатора избыточной реактивной мощности в электрических сетях. Сущность изобретения: в управляемом шунтирующем реакторе, состоящем из замкнутого магнитного сердечника, основной обмотки, компенсационной обмотки и обмотки управления, коммутируемой тиристорным блоком, обмотка управления выполнена в виде слоев, разделена на две части, высота которых равна высоте основной обмотки, причем параллельно одной части включены устройства подавления высших гармонических в токе реактора. Устройства подавления высших гармонических выполнены в виде параллельных ветвей, состоящих из тиристорных блоков и токоограничающих дросселей. Технический результат: ограничение высших гармонических в токе основной обмотки реактора до заданного уровня. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Управляемый шунтирующий реактор, состоящий из замкнутого магнитного сердечника, основной обмотки, компенсационной обмотки и обмотки управления, коммутируемой тиристорным блоком, отличающийся тем, что обмотка управления выполнена в виде слоев, разделена на две части, высота которых равна высоте основной обмотки, причем параллельно одной части включены устройства подавления высших гармонических в токе реактора. 2. Управляемый шунтирующий реактор по п.1, отличающийся тем, что устройства подавления высших гармонических выполнены в виде параллельных ветвей, состоящих из тиристорных блоков и токоограничивающих дросселей, которые ограничивают ток в основной обмотке на каждой из ступеней регулирования до заданного уровня. 3. Управляемый шунтирующий реактор по п.1, отличающийся тем, что устройства подавления высших гармонических выполнены в виде параллельных ветвей, состоящих из последовательно соединенных конденсаторов и дросселей, параметры которых выбраны из соотношения

где ω - промышленная угловая частота;
К - номер гармоники;
L_к и C_к - индуктивность и емкость в ветви подавления К-й гармоники.