ЭЛЕКТРОИНДУКЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2006 года по МПК H01F29/14 H01F21/08 

Настоящее изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в высоковольтных электрических сетях в качестве управляемого по величине индуктивного сопротивления для регулирования реактивной мощности, напряжения, ограничения перенапряжений, повышения устойчивости работы энергосистем.

Известно электроиндукционное устройство, так называемый управляемый шунтирующий реактор трансформаторного типа, являющийся аналогом настоящего изобретения [1]. Регулирование индуктивности аналога достигается закорачиванием секций его обмотки управления ключевым устройством (полупроводниковым ключом или механическим выключателем). Допустимый уровень нелинейных искажений потребляемого сетевой обмоткой тока при регулировании мощности и его синусоидальность в номинальном режиме достигается в аналоге тем, что при полностью закороченных секциях обмотки управления, потребляемая мощность реактора равна его номинальной мощности, то есть номинальная индуктивность аналога равна взаимной индуктивности сетевой и управляющей обмоток. Недостатком аналога является то, что он не обладает перегрузочной способностью по потребляемой мощности, в то время как способность электроиндукционного устройства к 2-3 кратной перегрузке в процессе эксплуатации повышает его эффективность, в части обеспечения устойчивости работы электрической сети в нормальных и аварийных режимах, и в части ограничения перенапряжений в точке подключения.

Частично, недостатки аналога [1] устранены в известном электроиндукционном устройстве [2], так называемом управляемом подмагничиванием шунтирующем реакторе, являющемся прототипом предлагаемого изобретения. Регулирование индуктивности прототипа осуществляется подмагничиванием магнитопровода постоянным током обмотки управления. Допустимый уровень нелинейных искажений в токе сетевой обмотки достигается тем, что в номинальном режиме магнитопровод насыщается до полупериодного (полупредельного) насыщения. За счет еще большего насыщения магнитной цепи, вплоть до полнопериодного (предельного), в прототипе можно достичь потребляемой мощности, превышающей номинальную [3]. Недостатком прототипа является то, что его технически целесообразный уровень перегрузки, достигаемый за счет подмагничивания, не превышает 30-40% от номинальной мощности устройства.

Целью изобретения является увеличение перегрузочной способности электроиндукционного устройства по мощности до 1,5-3 раз при сохранении допустимого уровня нелинейных искажений сетевого тока во всем диапазоне регулирования.

Поставленная цель достигается тем, что в электроиндукционном устройстве, содержащем бронестержневой магнитопровод с расщепленным на две одинаковые части стержнем (стержнями), на каждой части которого (которых) расположены секции обмотки управления, охватывающие каждую из частей стержня, и секции сетевой обмотки, охватывающие стержень целиком, поперечное сечение сетевой обмотки от 2-х до 5-ти раз превышает поперечное сечение обмотки управления, а суммарная высота сетевой и управляющей обмоток от 1,1 до 1,9 раза превышает высоту охватываемого ими стержня. В предлагаемом электроиндукционном устройстве взаимная индуктивность сетевой и управляющей обмоток может составлять от 1/3 до 2/3 его номинальной индуктивности.

Сущность предлагаемого устройства поясняется схемой (Фиг.1), характерными осциллограммами тока и напряжения (Фиг.2) и конструкцией (Фиг.3). Предлагаемое электроиндукционное устройство содержит бронестержневой магнитопровод с расщепленным на две части стержнем 1, на котором расположены секции обмотки управления 2, охватывающие каждую из частей стержня 1 и сетевая обмотка 3, охватывающая стержень 1 целиком.

Бронестержневой магнитопровод может исполняться как в однофазном, так и в трехфазном вариантах (см. Фиг.1). Выводами А, В, С, О сетевая обмотка 3 подключается к высоковольтной сети U_c. К выводам а, в, с обмотки управления 2 подключен синхронизированный ключевой элемент К_Э (полупроводниковый ключ или механический выключатель). К выводам средних точек обмотки управления +,- подключается источник регулируемого по величине управляющего напряжения U_y.

Предлагаемое электроиндукционное устройство работает следующим образом. При подключении сетевой обмотки 3 к высоковольтной сети U_c и нулевом значении управляющего напряжения U_y в магнитопроводе возникают переменные магнитные потоки, аналогичные магнитным потокам, например двухобмоточных трансформаторов в режиме холостого хода [2]. При этом стержень 1 и остальные участки магнитопровода находятся в ненасыщенном состоянии (максимальное значение индукции магнитного потока не превосходит индукции насыщения электротехнической стали). Как следствие, индуктивность сетевой обмотки максимальна по величине, а потребляемый ею сетевой ток I_c≈0. Этот режим, который принято называть режимом холостого хода, показан на Фиг.2 в интервале времени 0-t₁.

При появлении управляющего напряжения U_y, в расщепленном на две части стержне 1 возникают и начинают возрастать потоки подмагничивания, одинаковые по величине и направленные в противоположные стороны [2]. Насыщение стержня 1 этими потоками уменьшает индуктивность сетевой обмотки 3 и, как следствие, сетевой ток I_c возрастает (см. графики Фиг.2 в интервале (t₁-t₂). В номинальном режиме (интервал t₂-t₃ на Фиг.2), когда

где I_c - действующий ток сетевой обмотки;

I_н - номинальный ток устройства,

в устройстве возникает режим полупериодного насыщения [2]. Полупериодное насыщение обеспечивает синусоидальность сетевого тока I_c в номинальном режиме и допустимый уровень искажений его формы в промежуточных режимах потребления мощности (интервал t₁-t₂ на фиг. 2). При дальнейшем подмагничивании стержня 1 управляющим напряжением U_y сетевой ток I_c начинает превышать номинальное значение тока устройства (см. интервал t₃-t₄ на фиг.2) вплоть до тока полнопериодного насыщения:

где I_П - ток полнопериодного насыщения устройства.

При полупериодном насыщении (см. интервал t₄-t₅ на фиг.2) ток сетевой обмотки I_c, также как в номинальном режиме, имеет синусоидальную форму.

При полнопериодном насыщении обе части стержня 1 все время находятся в насыщенном состоянии (индукция в них превышает значение индукции насыщения электротехнической стали) и их дальнейшее подмагничивание уже не влияет на величину потребляемого сетевого тока I_c [3]. Поэтому последующее увеличение сетевого тока I_с выполняется путем закорачивания выводов а, в, с обмотки управления ключевым устройством К_Э. При полном закорачивании выводов а, в, с сетевой ток I_с становится максимально возможным (интервал (t₅-t₆ на Фиг.2):

где I_max - максимально возможный ток сетевой обмотки.

Как видно из приведенных на Фиг.2 графиков, поясняющих работу устройства, регулирование сетевого тока I_c от холостого хода до 1,33 номинального (I_n) выполняется подмагничиванием стержня 1. Последующая регулировка сетевого тока до 2 раз от номинального (I_max) осуществляется закорачиванием выводов обмотки управления 2.

Степень перегрузки устройства за счет подмагничивания зависит от отношения поперечного сечения сетевой обмотки S_co к поперечному сечению обмотки управления S_oy (Фиг.3). На степень перегрузки за счет закорачивания выводов а, в, с обмотки управления 2, кроме отношения поперечных сечений обмоток влияет также отношение суммарной высоты этих обмоток Н_со+Н_оу к высоте стержня Н_ст (см.Фиг.3). Для получения требуемой эффективности работы устройства, в зависимости от точки подключения и предъявляемых к нему требований, технически целесообразным является обеспечение 1,2÷1,5 кратной перегрузки по току за счет подмагничивания и 1,5÷3,0 кратной перегрузки за счет закорачивания обмотки управления.

Диапазон 1,5÷3 кратной перегрузки устройства по мощности, из которого 1,2÷1,5 кратная перегрузка осуществляется за счет подмагничивания, обеспечивается при следующих соотношениях параметров конструкции:

где S_co - поперечное сечение сетевой обмотки,

S_oy - поперечное сечение обмотки управления.

Интегральным критерием выполнения приведенных выше соотношений уже изготовленного устройства является отношение взаимной индуктивности сетевой и управляющей обмоток к его номинальной индуктивности. При выполнении условий (4) и (5) взаимная индуктивность сетевой и управляющей обмоток составляет от 1/3 до 2/3 номинальной индуктивности устройства.

По сравнению с аналогом и прототипом предлагаемое изобретение обладает преимуществом - расширенным до 1,5-3 раз диапазоном потребления мощности по отношению к номинальной. При этом искажение сетевого тока во всем диапазоне регулирования не превышает искажений сетевого тока прототипа. Кроме того, на регулировочной характеристике устройства есть особые точки, где ток сетевой обмотки практически синусоидален: в номинальном режиме, режиме полнопериодного насыщения, режиме максимального потребления мощности.

Работоспособность предлагаемого электроиндукционного устройства подтверждена расчетами, физическим моделированием и испытаниями макета.

Литература

1. Александров Г.Н. К методике расчета управляемых шунтирующих реакторов трансформаторного типа. Электричество. 1998. №4. Стр.15-20.

2. Брянцев A.M. Управляемые подмагничиванием электрические реакторы - как элемент электроэнергетической системы. Электротехника. 2003. №1. Стр.2-4.

3. Брянцев A.M. Подмагничиваемые ферромагнитные устройства с предельным насыщением участков магнитной системы. Электричество. 1986. №2. Стр.23-29.

Настоящее изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в высоковольтных электрических сетях в качестве управляемого по величине индуктивного сопротивления для регулирования реактивной мощности, напряжения, ограничения перенапряжений, повышения устойчивости работы энергосистем. Техническим результатом от использования данного изобретения является увеличение перегрузочной способности электроиндукционного устройства по мощности до 1,5-3 раз при сохранении допустимого уровня нелинейных искажений сетевого тока во всем диапазоне регулирования. Данный технический результат достигается тем, что в электроиндукционном устройстве, содержащем бронестержневой магнитопровод с расщепленным на две одинаковые части стержнем (стержнями), на каждой части которого (которых) расположены секции обмотки управления, охватывающие каждую из частей стержня и секции сетевой обмотки, охватывающие стержень целиком, согласно изобретению поперечное сечение сетевой обмотки от 2-х до 5-ти раз превышает поперечное сечение обмотки управления, а суммарная высота сетевой и управляющей обмоток от 1,1 до 1,9 раза превышает высоту охватываемого ими стержня. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электроиндукционное устройство, содержащее бронестержневой магнитопровод с расщепленным на две одинаковые части стержнем (стержнями), на каждой части которого (которых) расположены секции обмотки управления, охватывающие каждую из частей стержня, и секции сетевой обмотки, охватывающие стержень целиком, поперечное сечение сетевой обмотки в 2 - 5 раз превышает поперечное сечение обмотки управления, а суммарная высота сетевой и управляющей обмоток в 1,1 - 1,9 раза превышает высоту охватываемого ими стержня.2. Электроиндукционное устройство по п.1, отличающееся тем, что взаимная индуктивность сетевой и управляющей обмоток составляет от 1/3 до 2/3 его номинальной индуктивности.