Токоограничивающий реактор Советский патент 1987 года по МПК H01F29/00 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим аппаратам, и может быть использовано для ограничения токов короткого замыкания (КЗ) в электрических цепях с номинальными напряжениями 6-10 КВ.

Целью изобретения является повышение токоограничивающей способности в аварийных режимах.

На фиг. 1 показан реактор, продольный разрез; на фиг. 2-5 - регулирующий элемент; на фиг. 6 - реактор, разрез.

Регулирующий элемент реактора состоит из верхнего 1 и нижнего 2 полюсов, установленных с зазором 3 и герметично соединенных муфтой 4, в полость которой засыпан ферромагнитный поропюк 5 (фиг. 2, скопление точек) при протекании по обмотке 6 номинального (Ь ом.) и аварийного токов КЗ (Ьз). В конструкции реактора верхний торец нижнего полюса 2 регулирующего элемента выполнен конусообразной формы (фиг. 3). Реактор может быть дополнительно снабжен крышкой 7 и дном 8 (фиг. 4). На фиг. 1-5 проиллюстрирован случай, когда VM Siioji. 63, т. е. когда полая муфта вплотную охватывает полюса 1 и 2.

Для усиления эффекта токоограничения путем увеличения количества ферромагнитного порощка, вносимого в область полюсов 1 и 2 извне, необходимо увеличить объем V полой муфты так, чтобы образовались «карманы, выходящие за пределы сечения полюсов, заполненные дополнительным количеством порошка. Этот случай соответствует условию м 5|1олбз. Реализовать это условие можно, выполнив полую муфту, например, так, как это показано на фиг. 3 и 4, которые иллюстрируют соответственно два режима; при протекании по обмотке 6 номинального тока (IHOM) и тока КЗ (Ьз). Перераспределение ферромагнитного порошка 5 в зазоре 3 при переходе от нормального к аварийному режиму показано на фиг. 5 и 6 соответствующим скоплением точек. Регулирующий элемент по длине равен высоте колонн 9.

Вертикальные колонны 9 изготовлены из композиции бетон - ферромагнитный порошок (например, железный порошок и др.), которую в дальнейшем будем называть ферробетон. Ферробетонные колонны 9 помимо функций несущей конструкции реактора выполняют роль крайних стержней магнитопровода, причем эти стержни при КЗ не насыщаются благодаря распределенному магнитному зазору, создаваемому ферромагнитным порощком 5 в композиции с бетоном. В равной степени это же свойство - линейность магнитных характеристик - присуще и другой части магнитопровода - среднему его стержню, образованному регулирующим элементом, поскольку полюса 1 и 2 изготовлены из магнитодиэлектрика, обладающего, как известно, высокой линейностью а зазор заполняется ферромагнитным порощ0

5

0

5

ком, обладающим таким же свойством. Конструкция реактора, по существу, является простейшим регулятором тока, в цепи которого включена его обмотка 6. В нормаль- ных эксплуатационных режимах ток по обмотке 6 протекает не настолько большой, чтобы вызвать «подтягивание ферромагнитного порошка 5 к верхнему полюсу 1 ре- гулируюплего элемента и заполнение зазора 3 между полюсами 1 и 2. Благодаря замыканию магнитных линий (фиг. 1 - 6) через большой воздушный зазор 3, индуктивное сопротивление обмотки 6 невелико. В первые моменты времени после возникновения КЗ с ростом тока в цепи обмотки 6 не.медленно начинает происходить перемещение снизу вверх частиц ферро.магнитного порощка 5, что сразу вызывает ответную реакцию снижения тока в цепи обмотки 6 за счет увеличения ее индуктивного сопротивления. При дальнейшем увеличении значений тока КЗ указанный процесс лавинообразно продолжается, приводя, в конечном итоге, к полному заполнению воздушного зазора 3 между полюсами 1 и 2 ферромагнитным порошком 5 и, как следствие, достижению максимального токоограничивающего эффекта. Конфигурация сформированного «порощкового участка среднего стержня магнитопровода показана на фиг. 2 и 4. Использование ферропорощков на основе мелких частиц позволяет обеспечить высокое быстродействие формирования замкнутого магнитопровода, так как масса ферромагнитного порошка в этом случае перемешается под действием электромагнитного поля значительно быстрее че.м аналогичная масса ферромагнитного сплошного тела. Это объясняется тем, что сплошное тело начинает «подтягиваться к полюсу только при достижении током, создающим электромагнитное поле, достаточно больщой величины, т. е. спустя достаточно больщое время после возникновения КЗ. «Порошковое тело начинает «подтягиваться полем по частям, начиная уже с незначительного увеличения тока. Регулирование тока при этом получается достаточно плавным. Эксперименты показывают, что в этом случае реактор увеличивает индуктивное сопротивление своей обмотки практически в первый полупериод тока КЗ.

Величина воздушного зазора 3 (6з) выбирается исходя из заданной кратности токо- ограничения при КЗ. Из этих же соображений выбирается величина отношения размеров части зазора 6з, заполненной порошком (6п ) и воздухом (бв). Выбором соответствующих значений бз, бв, бп можно обеспечить необходимое возрастание индуктивного сопротивления обмотки 6 реактора в С аварийных режимах по сравнению с рабочими в 1,5-2 раза и более. Однако, следует отметить, что, чем выще кратность токоог- раничения, обеспечиваемая реактором, тем ниже быстродействие формирования фер0

5

0

5

0

ромагнитной «пробки в зазоре, так как большое время потребуется для перемещения большей массы порошка, которым необходимо заполнить большой зазор. В результате, для обеспечения максимальной эффективности функционирования реактора (обеспечения необходимых кратности токоограничения и быстродействия) задача выбора геометрических параметров регулирующего элемента реактора должна решаться как оптимизационная.

Как отмечалось, в качестве наполнителя в колоннах 9 и в муфте 4 могут использоваться различные ферромагнитные порошки, но предпочтение следует отдавать железны.м.

ки при спадении тока в обмотк тора) можно выполнить конусоо верхний торец нижнего полюса рег щего элемента (фиг. 5).

5 Для уменьшения рассеивания ма потока от обмотки 6 и повышения и внутри регулирующего элемента может быть дополнительно снабжен крышкой 7 и дном 8, изготовленн же, как и колонны 9, из композици

10 с ферромагнитным порошком, приче ка 7 вплотную примыкает к верхним всех колонн 9 и верхнего полюса I рующего элемента таким образом, чт бетонные колонны 9, крышка 7,

как наиболее дешевым и универсальным. ic регулирующий элемент образуют

т-«U «/......

Диапазон линейности характеристик намагничивания таких магнитопроводов примерно в 1000 раз больше, чем у электротехнических сталей, что позволяет избежат-ь насыщения во всем диапазоне ограничиваемых токов КЗ. Ферробетонные колоннь 9 и ферромагнитный порошок 5 в полости муфты 4 не ухудшают уровень изоляции между витками обмотки 6, так как используемые материалы представляют собой магнито- диэлектрики, которые характеризуются дос- удельным электрически.м

(в среднем р 10 -

30

35

таточно высоким сопротивлением 10 Ом. м).

Если полюса и.меют круглое сечение (фиг. 2), то при переходе от нормального к аварийному режи.му порошок 5 формирует ферромагнитную «пробку в зазоре 3, диаметр d которой меньше диаметра d (ширина) полюсов 1 и 2, так как объе.м Vn порошка остается в этом случае неизменным.

Выбирая определенное соотношение дли- нь1 зазора 6-% объема порошка V m и диа.метра d полюсов 1 и 2, можно добиться минимальной разницы между сечениями поропжовой «пробки и полюсов 1 и 2. В случае, если это не всегда удается сделать из-за ограничений на предельную длину зазора бз и габаритов реактора, может быть предложен вариант конструкции, изображенный на фиг. 3, суть которой заключается в наличии в муфте 4 «карманов, выходяших за пределы полюсов 1 и 2. Задавая различную вместимость «карманов путем изменения степени конусности полой муфты, можно вносить «извне в формируемый .магнитопровод дополнительное количество порошка. Такая конструкция обеспечивает снижение практически до нуля сужение сечения ферромагнитной «пробки (фиг. 4). При этом объем VM полости муфты удовлетворяет условию V.M Sno.i. бз, где Зпол - площадь сечения полюсов; бз - длина воздушного зазора между полюсами. Для обеспечения возврата объема ферромагнитного порошка в исходное состояние (исключение формирования «горки порошка и, как следствие, сужения воздушного зазора между полюсами) при переходе от аварийного режима к нормальному (рассыпание ферромагнитной «пробстержневоИ (по числу колонн) провод, в котором регулирующий эле полняет роль среднего стержня с ре мым зазором 3. Замкнутая магнит трическая конструкция магнитопрово

20 печивает усиление токоограничи эффекта реактора.

Таким образом, реактор обес значительное увеличение токоогран щего эффекта с ростом тока в обмо сохранении заданного токоограничен

25 жиме КЗ. Кроме того, может бы печено расширение диапазона токоо ния. Эффект от внедрения предлагае актора может быть получен за с жения потерь мощности из-за паде пряжения на нем в номинальном за счет снижения класса оборудо точки зрения выдерживания им уда ков КЗ, за счет снижения ущерба

45

55

Формула изобретения

. Токоограничивающий реактор жащий вертикальные несущие колон положенные по окружности, токоо вающую обмотку, отличающийся т с целью повышения токоограничи 40 способности, он снабжен регулирующ менто.м, выполненным в виде полой из немагнитного материала, полость частично засыпана ферромагнитным ком и закрыта с двух сторон ма электрическими полюсами, колонны р выполнены из магнитодиэлектрика, т ничивающая об.мотка пропущена ч лонны, регулирующий элемент разм центре реактора.

2.Реактор по п. 1, отличаюш,ий что, с целью расширения диапазона ния индуктивного сопротивления при переходе от эксплуатационного рийному режимам электрической цеп торой он включен, нижний полюс в с конусообразным верхним торцом.

3.Реактор по п. 1, отличающий что, с целью усиления токоограннчпв эффекта, реактор снабжен дополн крышкой и дном из магнитодиэл крышка установлена вплотную к

ки при спадении тока в обмотке реактора) можно выполнить конусообразным верхний торец нижнего полюса регулирующего элемента (фиг. 5).

Для уменьшения рассеивания магнитного потока от обмотки 6 и повышения индукции внутри регулирующего элемента реактор может быть дополнительно снабжен (фиг. 6) крышкой 7 и дном 8, изготовленными так же, как и колонны 9, из композиции бетона

с ферромагнитным порошком, причем крышка 7 вплотную примыкает к верхним торцам всех колонн 9 и верхнего полюса I регулирующего элемента таким образом, что ферро- бетонные колонны 9, крышка 7, дно 8 и

регулирующий элемент образуют

регулирующий элемент образуют

«/......

многостержневоИ (по числу колонн) магнитопровод, в котором регулирующий элемент выполняет роль среднего стержня с регулируемым зазором 3. Замкнутая магнитодиэлек- трическая конструкция магнитопровода обеспечивает усиление токоограничивающего эффекта реактора.

Таким образом, реактор обеспечивает значительное увеличение токоограничивающего эффекта с ростом тока в обмотке при сохранении заданного токоограничения в режиме КЗ. Кроме того, может быть обеспечено расширение диапазона токоограничения. Эффект от внедрения предлагаемого реактора может быть получен за счет снижения потерь мощности из-за падения напряжения на нем в номинальном режиме, за счет снижения класса оборудования с точки зрения выдерживания им ударных токов КЗ, за счет снижения ущерба от КЗ.

Формула изобретения

5

5

5

. Токоограничивающий реактор, содержащий вертикальные несущие колонны, расположенные по окружности, токоограничи- вающую обмотку, отличающийся тем, что, с целью повышения токоограничиваюшей 0 способности, он снабжен регулирующим эле- менто.м, выполненным в виде полой муфты из немагнитного материала, полость которой частично засыпана ферромагнитным порошком и закрыта с двух сторон магнитоди- электрическими полюсами, колонны реактора выполнены из магнитодиэлектрика, токоогра- ничивающая об.мотка пропущена через колонны, регулирующий элемент размешен в центре реактора.

2.Реактор по п. 1, отличаюш,ийся тем, что, с целью расширения диапазона изменения индуктивного сопротивления обмотки при переходе от эксплуатационного к аварийному режимам электрической цепи, в которой он включен, нижний полюс выполнен с конусообразным верхним торцом.

3.Реактор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью усиления токоограннчпваюшего эффекта, реактор снабжен дополнительно крышкой и дном из магнитодиэлектрика, крышка установлена вплотную к верхним

торцам всех колонн и верхнего по.:юса регулирующего элемента, а дно - к нижним торцам всех колонн и нижнего полюса регулирующего элемента та ким образом, что колонны, крышка, дно и регулирующий элемент образуют многостержневой по числу колонн магнитопровод, в котором регулирующий элемент является средним стержнем с регулируемым зазором.

mm

4. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью усиления токоограничиваюшего эффекта, полая муфта имеет внутренний объем VM, удовлетворяющий соотношению

V S пол бз,

где Sпол-площадь сечения полюсов;

ёз - длина зазора между полюсами.

Шт

3

6

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим аппаратам, и может быть использовано для ограничения токов короткого замыкания. Целью изобретения является повышение токоогра- ничивающей способности реактора. Реактор содержит колонны из магнитодиэлектрика, через которые пропущена токоограничиваю- шая обмотка. В центре реактора размещен регулирующий элемент, выполненный в виде полой муфты, частично заполненной ферромагнитным порощком. Муфта с двух сторон закрыта полюсами из магнитодиэлектрика. 3 3. п. ф-лы. 6 ил. со 00 QO 05 СХ)

ш т

Ш т Ш

щ

Составитель В. Мясникова Техред И. ВересКорректор И. Эрдейи

Тираж 697Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытии

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4;о Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектиая, 4

Щ:

Ш,

т Ш Ш

т

Ш и

Й|

т.

I 6