ТРЕХФАЗНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ РЕАКТОР Российский патент 2012 года по МПК H01F29/14 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к высоковольтным регулируемым электротехническим комплексам, и может использоваться в высоковольтных электрических сетях напряжением 110÷750 кВ для компенсации реактивной мощности и стабилизации напряжения.

В настоящее время в отечественной энергетике все большее распространение получают управляемые подмагничиванием реакторы [1], являющиеся новым типом регулируемой силовой индуктивности.

Известен аналог - трехфазный управляемый подмагничиванием реактор [1], содержащий электромагнитную часть, преобразователь с управляемым выпрямителем и питающим трехфазным двухобмоточном трансформатором, имеющим первичную и вторичную обмотки на каждом стержне. Электромагнитная часть содержит магнитопровод со стержнями, на которых расположены сетевые обмотки, подключенные к сети высокого напряжения, и обмотки управления. Обмотки управления соединены с преобразователем. Известный реактор имеет ряд недостатков, в том числе низкое быстродействие из-за отсутствия форсировки подмагничивания в режимах быстрого набора и сброса мощности и одновременного обеспечения работы в стационарных режимах, недостаточную надежность работы.

Частично недостатки реактора [1] устранены в другом реакторе [2], который является прототипом. Он также содержит электромагнитную часть в виде магнитопровода со стержнями, на которых расположены сетевые обмотки, подключенные к сети высокого напряжения, и обмотки управления. Имеется преобразователь с управляемым выпрямителем, питающим двухобмоточным трансформатором, а также система автоматического управления. В реакторе-прототипе осуществляется регулирование мощности одновременно трех фаз. Однако имеются недостатки - затруднения с обеспечением форсировки подмагничивания в режимах быстрого набора и сброса мощности и одновременного обеспечения работы в стационарных режимах, недостаточная надежность работы, т.к. при выходе из строя тиристоров выпрямителя приходится на длительное время отключать реактор от сети.

Целью изобретения является ликвидация указанных недостатков, повышение надежности и увеличение функциональных возможностей реактора.

Указанная цель достигается тем, что в трехфазном управляемом подмагничиванием реакторе, содержащем электромагнитную часть, преобразователь с управляемым выпрямителем и питающим трансформатором, имеющим первичные и вторичные обмотки, и систему автоматического управления, причем электромагнитная часть содержит магнитопровод с шестью стержнями, по два на каждую фазу сети, на стержнях расположены сетевые обмотки, обмотки управления и компенсационные обмотки, при этом компенсационные обмотки соединены с первичными обмотками питающего трансформатора, к входам управляемого выпрямителя присоединены вторичные обмотки питающего трансформатора преобразователя, к выходу управляемого выпрямителя подсоединены обмотки управления, питающий трансформатор преобразователя выполнен трехобмоточным и имеет дополнительные вторичные обмотки. В преобразователь введены управляемые выпрямители стационарных режимов и форсировки набора и сброса мощности по числу вторичных обмоток питающего трансформатора, трансформатор начального подмагничивания и неуправляемые выпрямители, подсоединенные к вторичным обмоткам трансформатора начального подмагничивания. При этом вторичные обмотки питающего трансформатора выполнены с разным числом витков, и их соотношение соответствует условию

1<w₂/w₁<10,

где w₁ - число витков вторичных обмоток питающего трансформатора для управляемых выпрямителей стационарных режимов реактора, a w₂ - число витков вторичных обмоток питающего трансформатора для управляемых выпрямителей форсировки набора и сброса мощности. Выходы управляемых выпрямителей, подсоединенных к обмоткам с числом витков w₁, и выходы неуправляемых выпрямителей соединены последовательно и подключены к обмоткам управления. Выходы управляемых выпрямителей, подсоединенных к обмоткам с числом витков w₂, соединены последовательно и также подключены к обмоткам управления. Первичные обмотки двухобмоточного трансформатора начального подмагничивания подключены к низковольтной сети.

Предложенный реактор поясняется чертежами.

На фиг.1 дана принципиальная схема трехфазного управляемого подмагничиванием реактора. На фиг.2 показана принципиальная схема трехфазного управляемого подмагничиванием реактора с двумя преобразователями.

На фиг.1 трехфазный управляемый подмагничиванием реактор (УШР, обычно в электрической сети он используется как шунтирующий реактор) содержит электромагнитную часть 1, преобразователь 2 для подмагничивания и систему управления 3 (САУ).

Электромагнитная часть - это трансформаторное устройство, содержащее магнитопровод, шихтованный из электротехнической стали с шестью стержнями овального сечения 4-9. Каждые два стержня фазы 4 и 5, 6 и 7, 8 и 9 охвачены обмотками круглого сечения: сетевой (СО) 10, 11 и 12 и компенсационной (КО) 13, 14 и 15. Каждый овальный стержень охвачен овальной обмоткой управления (ОУ), разделенной на две части (16-27). Например, один стержень 4 фазы А имеет верхнюю часть ОУ 16 и нижнюю 17, а другой стержень 5 фазы А имеет верхнюю часть ОУ 18 и нижнюю 19. Оба этих стержня охвачены круглыми обмотками СО 10 и КО 13. Обмотки СО 10-12 соединены в звезду и подключены к шинам А, В и С трехфазной сети 110-750 кВ, а нулевой ввод звезды - к вводу заземления 0. Обмотки КО 13-15 соединены в треугольник, вводы КО обозначены а, в и с. Каждые две части обмоток ОУ соседних стержней (например, 16 и 19) соединены последовательно и образуют шесть плеч двухплечевых полумостов: полумост ОУ фазы А - два плеча 16-19 и 18-17, полумост ОУ фазы В - два плеча 20-23 и 22-21, полумост ОУ фазы С - два плеча 24-27 и 26-25. Средние точки полумостов соединены с вводом заземления 0 (фиг.1). Полумосты ОУ одним концом подсоединены к вводу «+», а другим концом -

к вводу «-».

Преобразователь для подмагничивания 2 содержит управляемые выпрямители для подмагничивания в стационарных режимах 28, 29 и 30 и управляемые выпрямители для форсировки подмагничивания 31, 32 и 33 в переходных режимах при наборе и сбросе мощности. Питающий трансформатор с тремя стержнями 34, 35 и 36 - трехобмоточный. Первичные его обмотки 37, 38 и 39 соединены в треугольник и подключены к вводам обмотки КО а, в и с. Первые вторичные обмотки 40, 41 и 42, питающие управляемые выпрямители 28, 29 и 30 для подмагничивания в стационарных режимах, подсоединены к входам этих выпрямителей. Вторые вторичные обмотки 43, 44 и 45, питающие управляемые выпрямители 31, 32 и 33 для форсировки подмагничивания в переходных режимах при наборе и сбросе мощности, подсоединены к их входам. Вторичные обмотки питающего трансформатора выполнены с разным числом витков, и их соотношение соответствует условию

1<w₂/w₁<10,

где w₁ - число витков первых вторичных обмоток 40, 41 и 42, a w₂ - число витков вторых вторичных обмоток 43, 44 и 45.

В преобразователе имеется трехфазный двухобмоточный маломощный трансформатор начального подмагничивания со стержнями 46, 47 и 48 и неуправляемые выпрямители 49, 50 и 51, подсоединенные к вторичным обмоткам трансформатора начального подмагничивания 52, 53 и 54. Первичные обмотки двухобмоточного трансформатора начального подмагничивания 55, 56 и 57 подключены к низковольтной сети переменного тока 220 В 50 Гц.

Выходы управляемых выпрямителей 28, 29 и 30, подсоединенных к обмоткам 40, 41 и 42 с числом витков w₁, и выходы неуправляемых выпрямителей 49, 50 и 51 в каждой фазе соединены последовательно и подключены к обмоткам ОУ - вводам «+» и «-».

Выходы управляемых выпрямителей 31, 32 и 33, подсоединенных к обмоткам 43, 44 и 45 с числом витков w₂, соединены между собой последовательно и также подключены к обмоткам управления - вводам «+» и «-».

Стержни реактора могут иметь не овальное, а круглое сечение. В этом случае каждый стержень охвачен круглыми обмотками ОУ, КО и СО. При этом две обмотки СО каждой фазы включены между собой параллельно, а две обмотки КО каждой фазы включены между собой последовательно.

Обмотка ОУ конструктивно может быть выполнена как в виде обмотки, разделенной по высоте на две части (16 и 17, 18 и 19, 20 и 21, 22 и 23, 24 и 25, 26 и 27), так и в виде двух обмоток, расположенных концентрично, или в виде двух обмоток, вмотанных друг в друга.

Выполнение УШР возможно не только в виде трехфазного реактора с одним магнитопроводом, но и в виде трехфазной группы однофазных реакторов.

Питающий трансформатор так же как и трансформатор начального подмагничивания, может быть выполнен как трехфазным, так и в виде трехфазной группы однофазных трансформаторов.

В случае необходимости пофазного регулирования мощности реактора параллельное соединение полумостов ОУ и параллельное соединение выпрямителей не используются. При этом в фазе А реактора полумост обмотки ОУ 16-19-17-18 подключается к выходу последовательно включенных выпрямителей 28 и 49, а также к выходу выпрямителя 31, полумост обмотки ОУ 20-23-21-22 подключается к выходу последовательно включенных выпрямителей 29 и 50, а также к выходу выпрямителя 32, и полумост обмотки ОУ 24-27-26-25 подключается к выходу последовательно включенных выпрямителей 30 и 51, а также к выходу выпрямителя 33. Аналогичны подключения в фазах В и С.

На фиг.2 приведена схема, в которой применены два преобразователя 2 и 58, включенные параллельно. При этом преобразователь 58 такой же, как преобразователь 2.

Трехфазный управляемый подмагничиванием реактор (фиг.1), выполненный в соответствии с формулой предлагаемого изобретения, работает следующим образом.

Перед подключением реактора к сети, т.е. в ждущем режиме, преобразователь 2 подключается к низковольтной сети (к сети собственных нужд подстанции 220 В), подается напряжение на первичные обмотки 55, 56 и 57 двухобмоточного трансформатора начального подмагничивания 46, 47 и 48. Одновременно система автоматического управления САУ 3 подает управляемые импульсы на тиристоры управляемых выпрямителей стационарных режимов, переводя их в диодный режим. При этом в обмотки ОУ подается постоянный ток, обеспечивающий начальное подмагничивание стержней до индукции В₀.

При подключении реактора к трем фазам трехфазной сети А, В и С реактор, у которого стержни подмагничены индукцией В₀, мгновенно переходит в режим с мощностью, примерно равной его номинальной мощности.

Далее САУ подает управляющие импульсы на тиристоры управляемых выпрямителей стационарных режимов 28, 29 и 30, соответствующие той мощности, которую необходимо обеспечить для выполнения алгоритма, заложенного в САУ (САУ получает информацию от измерительных трансформаторов тока и напряжения, установленных в сети и в управляемом реакторе, эти измерительные трансформаторы на схемах фиг.1 и фиг.2 не показаны). Например, реактор переводится в стационарный (статический, установившийся) режим стабилизации напряжения в сети или стабилизации потребляемой мощности УШР. Таким образом, обеспечивается плавное регулирование мощности УШР во всем возможном диапазоне ее изменения от минимальной (в режиме холостого хода при отсутствии подмагничивания) до максимальной (в режиме максимального подмагничивания).

При изменениях мощности реактора - наборе или сбросе мощности - переходы от одного установившегося значения потребляемой мощности УШР к другому (динамические режимы) с необходимым быстродействием обеспечиваются форсировкой напряжения подмагничивания на обмотках ОУ. При форсировке САУ подает управляющие импульсы на тиристоры выпрямителей 31, 32 и 33.

Форсировка получается потому, что выпрямленное напряжение подмагничивания в соответствии с условием 1<w₂/w₁<10 и последовательным соединением трех выпрямителей 31, 32 и 33 форсировки набора и сброса мощности может быть увеличено до 30 раз по сравнению с напряжением выпрямителей стационарных режимов 28, 29 и 30. При этом сечение провода обмоток 43, 44 и 45 может быть существенно снижено по сравнению с сечением обмоток 40, 41 и 42, т.к. время форсировки составляет всего доли секунды, что обеспечивает преимущество данного предложения. В прототипе форсировка и стационарные режимы осуществляются при питании выпрямителя от одних и тех же обмоток, что сужает возможности форсировки (снижает функциональные возможности), а также усложняет управление тиристорами (т.е. понижает надежность).

Повышенная надежность предложенного устройства обеспечивается и новой схемой подмагничивания в стационарных режимах. Выход из строя одного из тиристоров в управляемом выпрямителе 28, 29 или 30 не приводит к немедленному отключению реактора, т.к. оставшиеся два выпрямителя вполне способны продолжать работу. Кроме того, при таком нарушении работы диоды неуправляемых выпрямителей 49, 50 или 51 выполняют роль запирающих диодов и предотвращают повреждение оборудования большими токами короткого замыкания.

Для повышения надежности работы возможно дублирование преобразователей (фиг.2), при этом второй преобразователь 58 включается параллельно первому преобразователю 2.

Таким образом, повышается надежность работы реактора и увеличивает его функциональные возможности.

Работоспособность предлагаемого управляемого подмагничиванием электрического реактора и его высокие технико-экономические показатели подтверждены расчетами, математическим и физическим (на макетах) моделированием.

Литература

1. Управляемые подмагничиванием электрические реакторы. Сб. статей. Под ред. доктора тех. наук проф. А.М.Брянцева - М.: «Знак», 2004, стр.115-126.

2. Управляемые подмагничиванием электрические реакторы. Сб. статей. Под ред. доктора тех. наук проф. А.М.Брянцева - М.: «Знак», 2004, стр.221-232.

Использование: в области электротехники. Трехфазный управляемый подмагничиванием реактор содержит электромагнитную часть, преобразователь с управляемым выпрямителем и питающим трансформатором, имеющим первичные и вторичные обмотки, и систему автоматического управления. Электромагнитная часть содержит магнитопровод с шестью стержнями по два на каждую фазу сети, на стержнях расположены сетевые обмотки, обмотки управления и компенсационные обмотки, которые соединены с первичными обмотками питающего трансформатора. К входам управляемого выпрямителя присоединены вторичные обмотки питающего трансформатора преобразователя, к выходу управляемого выпрямителя подсоединены обмотки управления. Питающий трансформатор преобразователя выполнен трехобмоточным и имеет дополнительные вторичные обмотки. При этом, вторичные обмотки питающего трансформатора выполнены с разным числом витков, и их соотношение соответствует условию 1<w₂/w₁<10, где w₁ - число витков вторичных обмоток питающего трансформатора для управляемых выпрямителей стационарных режимов реактора, a w₂ - число витков вторичных обмоток питающего трансформатора для управляемых выпрямителей форсировки набора и сброса мощности. 2 ил.

Трехфазный управляемый подмагничиванием реактор, содержащий электромагнитную часть, преобразователь с управляемым выпрямителем и питающим трансформатором, имеющим первичные и вторичные обмотки, и систему автоматического управления, причем электромагнитная часть содержит магнитопровод с шестью стержнями по два на каждую фазу сети, на стержнях расположены сетевые обмотки, обмотки управления и компенсационные обмотки, при этом компенсационные обмотки соединены с первичными обмотками питающего трансформатора, к входам управляемого выпрямителя присоединены вторичные обмотки питающего трансформатора преобразователя, к выходу управляемого выпрямителя подсоединены обмотки управления, отличающийся тем, что питающий трансформатор преобразователя выполнен трехобмоточным и имеет дополнительные вторичные обмотки, в преобразователь введены управляемые выпрямители стационарных режимов и форсировки набора и сброса мощности по числу вторичных обмоток питающего трансформатора, трансформатор начального подмагничивания и неуправляемые выпрямители, подсоединенные к вторичным обмоткам трансформатора начального подмагничивания, при этом вторичные обмотки питающего трансформатора выполнены с разным числом витков, и их соотношение соответствует условию
1<w₂/w₁<10,
где w₁ - число витков вторичных обмоток питающего трансформатора для управляемых выпрямителей стационарных режимов реактора, a w₂ - число витков вторичных обмоток питающего трансформатора для управляемых выпрямителей форсировки набора и сброса мощности, выходы управляемых выпрямителей, подсоединенных к обмоткам с числом витков w₁, и выходы неуправляемых выпрямителей соединены последовательно и подключены к обмоткам управления, выходы управляемых выпрямителей, подсоединенных к обмоткам с числом витков w₂, соединены последовательно и подключены к обмоткам управления, а первичные обмотки двухобмоточного трансформатора начального подмагничивания подключены к низковольтной сети.