УПРАВЛЯЕМЫЙ ШУНТИРУЮЩИЙ РЕАКТОР Российский патент 2004 года по МПК H01F38/02 H01F29/02 

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в качестве 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 витков, усложняющих конструкцию реактора, и требует большое число изоляционных выводов на крышке бака изолятора (Патент Российской Федерации 2065654, МПК: H 01 F 29/02, 1996 г.).

В уровне техники выявлено средство того же назначения, что и данный управляемый шунтирующий реактор, который содержит магнитопровод без воздушных зазоров, основную обмотку, управляющую обмотку, тиристорные управляемые блоки, устройства ограничения высших гармонических в токе реактора, в котором торцевые части обмоток сверху и снизу прикрыты магнитными шунтами, а компенсационная обмотка расположена между основной обмоткой и управляющей обмоткой (см. заявку WO 97/20328 A1, H 01 F 37/00, 1997, с.3, с.7 абз.3, с.9 абз. 3, с. 10 абз.2 снизу, с. 12 абз.1, с.13 абз.2, фиг.1-6, всего 29 с., прототип).

Недостатком прототипа является высокий уровень высших гармонических в токе реактора (5^ой, 7^ой и др.), а также сложность (невозможность) пофазного управления реактором и повышенный расход электротехнической стали, потери из-за высоких полей рассеяния.

Данное изобретение устраняет указанные недостатки. Техническим результатом изобретения является снижение полей рассеяния реактора, компактность при сохранении возможности пофазного управления реактором и ограничение высших гармоник.

Технический результат достигается тем, что в управляющем шунтирующем реакторе, содержащем замкнутый магнитопровод без воздушных зазоров, коаксиально расположенные сетевую обмотку, обмотку управления и компенсационную обмотку, размещенную между ними, управляющие током сетевой обмотки блоки, устройства ограничения высших гармоник в токе сетевой обмотки, в котором торцевые части обмоток сверху и снизу прикрыты магнитными шунтами, сверху и снизу прикрыто и межобмоточное пространство ступенчатыми шунтами, улавливающими магнитный поток рассеяния и направляющими его к ярмам магнитопровода, при этом суммарное сечение ярем магнитопровода превышает сечение стержней магнитопровода и выбрано из уравнения

где ∑F_в - суммарное сечение ярем магнитопровода,
F_ст - сечение стержней магнитопровода,
а₁ - толщина сетевой обмотки,
a₂ - толщина обмотки управления,
a₁₂ - толщина зазора между сетевой обмоткой и обмоткой управления.

Устройства ограничения высших гармонических выполнены в виде последовательно соединенных конденсатора и индуктивной катушки, индуктивность которой не зависит от тока через нее. К компенсационной обмотке подключен конденсатор для обеспечения емкостного тока через сетевую обмотку при разомкнутой обмотке управления. Управляющие блоки выполнены в виде вакуумного выключателя, конденсатор подключен к компенсационной обмотке через вакуумный выключатель. Конденсатор подключен к обмотке управления через вакуумный выключатель.

Сущность изобретения поясняется на чертежах.

Фиг. 1 - принципиальная электрическая схема управляющего шунтирующего реактора, где 1 - сетевая обмотка, 2 - компенсационная обмотка, 3 - обмотка управления 4 - тиристорный блок управления, 5 - дроссель фильтра третьей гармоники, 6 - конденсатор фильтра третьей гармоники, 7, 8, 9 - конденсаторы фильтров 5^ой, 7^ой, 11^ой гармоник, 10, 11, 12 - дроссели фильтров 5^ой, 7^ой, 11^ой гармоник, 13 - вакуумный выключатель, 14 - конденсатор, 15 - вакуумный выключатель (аварийный).

Фиг. 2 и фиг.3 - схема расположения обмоток магнитопровода фронтальная и горизонтальная, где 1 - сетевая обмотка, 2 - компенсационная обмотка, 3 - обмотка управления, 16 - стержень магнитопровода, 17 - ярмо, 18 - магнитный шунт.

Фиг. 4 - эквивалентная схема управления шунтирующего реактора с использованием вакуумных выключателей, где 1 - сетевая обмотка, 3 - обмотка управления, 15 - вакуумный выключатель.

Фиг. 5 - электрическая схема регулирования токов управляемого шунтирующего реактора в емкостном режиме, где 1 - сетевая обмотка, 2 - компенсационная обмотка, 3 - обмотка управления, 14 - конденсатор (батарея конденсаторов), 15 - вакуумный выключатель цепи обмотки управления (при использовании тиристорного блока 4 этот выключатель используется в качестве аварийного), 19 - вакуумный выключатель.

Фиг. 5 а - емкостной режим, где 20 - вакуумный выключатель, а 21 - конденсатор в цепи обмотки управления 3.

На фиг.6 показан фрагмент расположения шунта на реакторе, где 17 - схематичное изображение ярма, 16 - схематичное изображение стержня, 18 - магнитный шунт.

На фиг.7 схематично изображен поперечный разрез реактора для иллюстрации пластинчато-секторного исполнения магнитного шунта, где 17 - схематичное изображение ярма, 16 - схематичное изображение стержня, 18 - магнитный шунт.

Устройство работает следующим образом. При использовании в качестве управляющего ключа тиристорного блока 4 (фиг.1) основное изменение тока в сетевой обмотке 1 реактора осуществляется путем изменения угла зажигания тиристоров. При полностью запертых тиристорах блока 4 ток в сетевой обмотке 1 минимальный. При проводящих тиристорах блока 4 ток в сетевой обмотке 1 максимальный индуктивный. При подключении к компенсационной обмотке 2 конденсатора 14 ток в сетевой обмотке 1 при запертых тиристорах блока 4 максимальный емкостной. При отпирании тиристоров блока 4 на ограниченное время емкостной ток в сетевой обмотке 1 уменьшается до нуля, и затем при увеличении времени горения тиристоров блока 4 ток увеличивается вплоть до номинального индуктивного тока. При неполном времени горения тиристоров блока 4 в токе обмотки управления 3 возникают высшие гармонические. Для их гашения используется компенсационная обмотка 2, расположенная между основной обмоткой 1 и обмоткой управления 3. Компенсационные обмотки 2 трех фаз соединены в треугольник, что обеспечивает компенсацию 3-ей гармонической в сетевой обмотке 1. Для компенсации 5^ой, 7^ой, 11^ой гармонических используются фильтры, состоящие из последовательного соединения дросселя с фиксированной индуктивностью и конденсатора. Дроссели 10, 11, 12 и соответственно конденсаторы 7, 8, 9 являются парами, составляющими фильтр соответственно для 5^ой, 7^ой, 11^ой гармоник. При необходимости кратковременного увеличения тока в сетевой обмотке 1 сверх номинального (например, на время переходного процесса после коммутации линейного выключателя для ограничения коммутационных перенапряжений) необходимо замкнуть компенсационную обмотку 2 вакуумным выключателем 13, что приводит к уменьшению индуктивного сопротивления реактора на 25÷40%.

В случае использования в качестве управляющих ключей вакуумных выключателей (фиг.4) управляемый шунтирующий реактор работает только на двух значениях тока в сетевой обмотке 1: минимальном - при разомкнутом вакуумном выключателе 15 и максимальном (номинальный ток) - при замкнутом вакуумном выключателе 15. При этом высшие гармонические в токе реактора отсутствуют. Отсутствие высших гармонических позволяет исключить использование компенсационной обмотки 2. Эквивалентная схема такого управляемого шунтирующего реактора приведена на фиг.4.

При необходимости расширения диапазона регулирования тока реактора в сторону емкостного тока (фиг.5) к компенсационной обмотке 2 подключают конденсатор 14 (батарею конденсаторов) через вакуумный выключатель 19. При разомкнутом вакуумном выключателе 15 обмотки управления 3 и замкнутом вакуумном выключателе 19 в цепи компенсационной обмотки 2 в сетевой обмотке 1 протекает емкостной ток, зависящий только от величины емкости конденсатора 14.

Параметры всех фильтров, состоящих из конденсаторов 7, 8, 9 и дросселей 10, 11, 12, выбираются из соотношения

где k - номер высшей гармонической.

В этом случае высшие гармонические в токе обмотки управления 3, коммутируемой тиристорным блоком 4, индуктируют в компенсационной обмотке 2, короткозамкнутой для каждой из нечетных гармоник фильтрами, противо-эдс и соответственно ток и магнитный поток противоположного направления. В результате высшие гармонические в магнитном потоке реактора отсутствуют. Соответственно отсутствуют высшие гармонические в токе сетевой обмотки 1 реактора.

При замкнутой обмотке управления 3 магнитный поток вытесняется из стержней магнитопровода 16 в пространство между сетевой обмоткой 1 и обмоткой управления 3 и частично в пространство, занимаемое этими обмотками, поскольку напряжение короткого замыкания равно или близко к его рабочему напряжению. При выходе из области расположения обмоток магнитный поток может проникать в конструктивные элементы реактора (стяжные балки ярем, обмотки, крышку, днище и стенки бака), перегревать эти элементы, что может привести к значительным потерям мощности реактора. Для устранения этого эффекта предусмотрена установка магнитных шунтов 18, прикрывающих сверху и снизу торцевые части обмоток и межобмоточное пространство (фиг 6, 7). Шунты 18 разделены на четыре одинаковые сектора (фиг.7), примыкающих к ярму 17 с двух сторон. Все секторы шунтов 18 представляют между собой пакеты из параллельных листов электротехнической стали. Секторные шунты 18 обеспечивают практическую параллельность магнитных линий по всей высоте обмоток реактора и в пространстве между ними, что исключает перегрев крайних витков обмоток и упрощает расчет всей магнитной системы реактора. По этим шунтам 18 магнитный поток на выходе из межобмоточного пространства направляется к ярмам 17 и замыкается в них. В результате потери мощности уменьшаются и составляют не более 10% от суммарных потерь мощности реактора.

Одним из условий конструктивной реализации управляемого реактора является обеспечение необычного для трансформаторов высокого значения напряжения короткого замыкания основной обмотки относительно обмотки управления - 100%. Это значение напряжения короткого замыкания при заданных номинальных параметрах реактора: напряжение, ток и частота - определяются только конструктивными параметрами реактора в соответствии с формулой

где f - номинальная частота сети, N - число витков сетевой обмотки 1, U_ф - номинальное фазовое напряжение, l₀ - полная высота окна магнитопровода, F_эф - эффективное сечение магнитного потока в номинальном режиме, сцепляющегося со всеми витками основной обмотки реактора, равное

где d₁₂ - средний диаметр зазора между управляющей обмоткой 3 и основной обмоткой реактора, a₁₂ - ширина (радиальный размер) зазора между управляющей обмоткой 3 и основной обмоткой 1, a₁ и а₂ - толщина (радиальный размер) основной обмотки 1 и управляющей обмотки 3 соответственно.

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 сетевой обмотки N₁, ширины зазора между обмотками a₁₂, уменьшения высоты окна магнитопровода l₀.

Обязательным условием для снижения потерь мощности реактора, компактности реактора является условие конструктивного выполнения его элементов

где ∑F_я - суммарное сечение ярем магнитопровода,
F_cт, - сечение стержней магнитопровода,
a₁ - толщина сетевой обмотки,
a₂ - толщина обмотки управления,
a₁₂ - толщина зазора между сетевой обмоткой и обмоткой управления.

Наличие магнитных шунтов, улавливающих большую часть магнитного потока, обеспечивает значительное уменьшение добавочных потерь в реакторе. В результате для мощных реакторов (50 Мвар и более) полные потери в номинальном режиме не превосходят 0,5% от их номинальной мощности.

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в качестве регулируемого реактивного сопротивления, в частности в качестве статического компенсатора избыточной реактивной мощности в электрических сетях. Технический результат заключается в снижении полей рассеяния, компактности при сохранении возможности пофазного управления реактором и ограничении высших гармоник. Реактор содержит замкнутый магнитопровод без зазоров, коаксиально расположенные сетевую обмотку, обмотку управления и компенсационную обмотку, размещенную между ними. Торцевые части обмоток сверху и снизу покрыты секторными магнитными шунтами, улавливающими магнитный поток рассеяния и направляющими его к ярмам магнитопровода, суммарное сечение ∑F_я которых превышает сечение F_ст стержней и выбрано из условия

где a₁, а₂, а₁₂ - толщины соответственно сетевой обмотки, обмотки управления и зазора между ними. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Управляемый шунтирующий реактор, содержащий замкнутый магнитопровод без воздушных зазоров, коаксиально расположенные сетевую обмотку, обмотку управления и компенсационную обмотку, размещенную между ними, управляющие током сетевой обмотки блоки, устройства ограничения высших гармоник в токе сетевой обмотки, в котором торцевые части обмоток сверху и снизу прикрыты магнитными шунтами, отличающийся тем, что сверху и снизу прикрыто и межобмоточное пространство между секторными магнитными шунтами, улавливающими магнитный поток рассеяния, и направляющими его к ярмам магнитопровода, при этом суммарное сечение ∑F_я ярем магнитопровода превышает сечение F_ст стержней магнитопровода и выбрано из условия

где a₁ - толщина сетевой обмотки;

а₂ - толщина обмотки управления;

а₁₂ - толщина зазора между сетевой обмоткой и обмоткой управления.