Трехфазный насыщающийся реактор Советский патент 1992 года по МПК H01F29/14 

1

(21)4770966/07 (22)13.11.89 (46)15.12.92. Бюл. № 46

(71)Кишиневский политехнический институт им. С.Лазо и Отдел энергетической кибернетики АН МССР

(72)Е.И.Заблудский, Ю.В.Ермураки, Г.А.Евдокунин и С.Ф.Козырин

(56)Патент Англии

№ 1194151, кл. Н 02 F 3/12,10.06.70.

Патент Англии

№ 1563707, кл. Н 01 F 27/38,26.03.80. (54) ТРЕХФАЗНЫЙ НАСЫЩАЮЩИЙСЯ РЕАКТОР

(57)Использование: улучшение режимов работы дальних электропередач переменного тока. Сущность изобретения: на девятистер- жневом магнитопроводе 1-9 в виде трех соединенных общим ярмом групп по три стержня в каждой трехфазного насыщающегося реактора расположены трехфазная основная обмотка 11, соединенная в звезду. компенсационная обмотка 12, соединенная в треугольник, и фазосдвигающая обмотка, каждая фаза которой выполнена из двух параллельных ветаей, соединенных встречно относительно начал фаз, а каждая параллельная ветвь из двух одинаковых пар катушек 13 и 14 с соотношением чисел витков пары 1:0,532, соединенных между собой по схеме зигзаг. Сечение ярма магнито- провода составляет 85-88% суммарного сечения трех стержней. Выполнение таким образом фазосдеигающей обмотки и ярма упрощает конструкцию и уменьшает материалоемкость реактора. Для уменьшения коммутационных перенапряжений при переходных режимах между нейтралями фа- зосдвигающей обмотки может быть включен тиристор. С целью расширения области применения реактор может быть снабжен подмагничивающими обмотками и управляемыми реакторами-автотрансформаторами. 4 з.п. ф-лы, 12 ил.

5

VJ 00

Изобретение относится к статическим ферромагнитным устройствам, предназначенным, например, для улучшения режимов работы дальних электропередач переменного тока, и обладающим возможностью непосредственного подключения к высоковольтной линии и заземления нейтрали первичной обмотки.

Цель изобретения - упрощение конструкции и уменьшение материалоемкости трехфазного насыщающегося реактора за счет уменьшения числа катушек в фазосдви- гающей обмотке и уменьшения сечения каждого ярма магТТйтопровода, снижение коммутационных перенапряжений путем увеличения реактивной мощности потребляемой реактором в переходных режимах, расширение области его применения за счет регулирования посредством внешнего воздействий потребляемой им реактивной мощности.

На фиг.1 показано поперечное сечение активной части трехфазного насыщающегося реактора; на фиг,2 - частичный разрез трехфазного насыщающегося реактора; на фиг.З - схема обмоток трехфазного насыщающегося реактора; на фиг.4 - вольт-амперная характеристика (в.а.х,) статического компенсатора реактивной мощности, состоящего из реактора и постоянно включенной шунтовой батареи конденсаторов; на фиг.5 - две продольные составляющие Одного стержня с катушкой к зажимам которой подключены два тиристора; на фиг.6 - естественная вольт-ампернан характеристика HP и в.а.х,, которая соответствует большей реактивной мощности потребляемой реактором; на фиг.7 - дополнительный совмещенный реактор-автотрансформатор, подключенный к катушке основной трехфазной обмотки; на фиг.У - однофазный блок трехфазного насыщающегося реактора, магиитопровод блока выполнен броне- оым, состоящим из трех 0-образных сердечников, расположенных радиально и образующих о плане трехлучевую симметричную звезду; на фиг.9 - также один одно- Фазный блок трехфазного насыщающегося реактора, магнитопровод блока выполнен пленарным; на фиг.Ю - электромагнитная схема трехфазного насыщающегося реактора, состоящего из трех одинаковых модулей; на фиг.11 - поперечное сечение одного модуля реактора; на фиг.12 - частичный разрез одного модуля реактора,

Трехфазный насыщающийся реактор содержит магнитосвяззнный магнитопровод, основную трехфазную обмотку, компенсационную и фазосдвигающие обмотки, катушки которых расположены на стержнях

(фиг.1, 2 и 3). Магнитопровод реактора состоит из девяти стержней 1, 2, 3,..., 9, которые разделены на три группы стержней. В первую группу стержней входят стержни 1,

2, 3, во вторую группу - стержни 4, 5, 6 и в третью группу - стержни 7, 8, 9. Стержни каждой группы стержней замкнуты с торцов двумя общими ярмами 10, причем сечение каждого ярма составляет 0,85 - 0,88 от

суммарного сечения трех стержней одной группы. Каждая фаза основной трехфазной обмотки состоит из одной катушки 11, фазы соединены в звезду с выведенной нулевой точкой 0. Каждая фаза компенсационной обмотки состоит из одной катушки 12, фазы соединены в треугольник, контур которого заземляется. Каждая фаза фззосдвигающей трехфазной обмотки состоит из двух параллельных ветвей, которые относительно начал аз, Ьз, сз этих фаз соединены встречно.

Каждая параллельная ветвь состоит их двух

катушек 13 и 14, соотношение чисел витков

которых составляет соответственно 0,532 :

;1. Эти пары катушек 13 и 14 соединены

между собой по схеме зигзаг. Фазосдвига- ющая обмотка имеет две выведенные нейтрали Oi и Ог. Каждый стержень 1, 3, 4, 7 и 9 охватывается концентрически двумя катушками 13 и 14, которые принадлежат различным фазам фазосдвигающей обмотки (фиг.1,2 и 3). Три катушки 12 компенсационной обмотки охватывают каждая одну из трех групп стержней. Эти же группы стержней охватываются катушками 11 основной

трехфазной обмотки (фиг.1 и 2).

Насыщающийся реактор (HP) работает, например, в схеме статического компенсатора реактивной мощности (СКРМ) следующим образом. СКРМ состоит из HP и

постоянно включенной шунтовой батареи конденсаторов. Регулирование HP осущест- аллетсп путем изменения насыщения стержней магнитопровода, которое зависит от значения напряжения электрической системы по отношению к рабочему диапазону напряжений СКРМ, ограниченному точками 1 и 2 на в.а.х. СКРМ (фиг.4). Если напряжение электрической системы Ua.c. Ui, то вся реактивная мощность Qc. генерируемая

шунтовыми конденсаторами, поступает в сеть. При этом индуктивная мощность QI, потребляемая HP, равна нулю. Сувеличени- ем U9.c. часть мощности, генерируемой конденсаторами, потребляется HP, Когда

Уэ.с. Uy (Uy - напряжение уставки СКРМ), то . При Кэ.с. Uy HP продолжает по- глощать.реактивную мощность.

Фазосдвигающая обмотка (катушки 13 и 14, см. фиг.З) обеспечивает сдвиг векторов

первых гармоник магнитного потока в стержнях со смежными номерами на 40°. Компенсационная обмотка (катушки 12, см.фиг.3) отфильтровывает из индукции магнитного поля 9-ю гармонику, которая переходит в напряженность, Ток этой гармоники протекает по контуру этой обмотки в режиме короткого замыкания. Наличие фазосдвигающей и компенсационной обмоток обуславливает исключение из тока основной трехфазной обмотки (катушки 11, см. фиг.3)3,5,7,9,11,13 и 15 высших гармоник, а также значительное уменьшение 17 и 19 гармоник. Отсутствие в токе основной трехфазной обмотки гармоник кратных трем позволяет заземлить нейтраль О этой обмотки и она может быть непосредственно подсоединена зажимами А, В, С к высоковольтной ЛЗП (без промежуточного трансформатора). Так как в контуре компенсационной обмотки 9-я гармоника тока короткозамкнута, то ее контур также может быть заземлен (фиг.З). Катушки 12 компенсационной обмотки отделяют физически катушки 11 основной обмотки от катушек 13 и 14 фазосдвигающей обмотки (фиг.1 и 2). При этом компенсационная обмотка служит заземленным экраном для основной обмотки и улучшает тем самым режим работы ее высоковольтной изоляции. Фазосдвигаю- щая и компенсационная обмотка, наряду с вышеуказанными функциями, могут также выполнять роль вторичной и третий обмоток, а основная обмотка роль первичной обмотки трансформатора, поэтому в разработанном устройстве совмещены и функции реактора и функции силового трансформатора.

Для ограничения коммутационных перенапряжений за счет увеличения реактивной мощности реактора в переходных режимах к выведенным нейтралям Oi и 02 фазосдвигающей обмотки на которых имеет место напряжение третьей гармоники под-1 ключается тиристор 15 (фиг.З) и осуществля- - ется выпрямление этого напряжения. В Р0зультате по катушкам компенсационной обмотки будет протекать выпрямленный ток третьей гармоники, который будет подмаг- ничивать стержни 1 и 3,4 и 6,7 и 9 магнито- провода. При переходном процессе в указанном контуре подмагничивания возникает свободный магнитный поток, который также будет подмагничивать систему, что обусловит в совокупности рост потребляемой HP реактивной мощности в первые периоды переходного процесса и соответственно ограничение коммутационных перенапряжений.

По мере устранения в начале переходного процесса коммутационного перенапряжения изменяют соответствующим

образом в нужный момент времени угол зажигания тиристора 15 (фиг.З) и тем самым прекращают (или уменьшают) подмагничи- вание магнитопровода постоянным током,

а, следовательно, и потребление реактором переходной реактивной мощности (при угле зажигания тиристора 15 равном 0°, он открыт и работает как диод, при угле зажигания равном 90°, тиристор закрыт и ток

0 через него не протекает, что эквивалентно отсутствию тиристора).

Для расширения области применения HP путем регулирования посредством внешнего воздействия потребляемой им ре5 активной мощности реактор имеет подмаг- ничивающие обмотки 17, тиристоры 18 и 19 (фиг.5), разделенные на две продольные части стержни 2,5 и 8, на которых отсутствуют фазосдвигающие обмотки. Сечение одной

0 части разделенных стержней равно сечению неразделенных стержней 1, 3, 4, 6, 7 или 9, а сечение другой части равно 0,4 - 0,33 сечения первой. Тиристоры 18 и 19 включены встречно-параллельно и подсое

5 динены к выводам подмагничивающих обмоток 17, которые насажены на меньшие из частей разделенных стержней. Регулирование реактивной мощности HP посредством внешнего воздействия достигается следую0 щим образом.

Если оба тиристора 18 и 19 полностью открыты (угол зажигания (регулирования) тиристоров равен 90°), то по катушкам 17 ток не протекает. При этом HP работает в

5 точке 1 вольт-амперной характеристики, которая является естественной (фиг.6).

Если оба тиристора 18 и 19 закрыты угол зажигания (регулирования) тиристоров равен 0°, то по катушкам 17 протекает тик

0 короткого замыкания. Этот ток создает магнитное поле, направленное навстречу, в пределах меньшей продольной составляющей стержней 2, 5 и 8, магнитному полю являющемуся результатом совместного

5 действия других обмоток HP, что приводит к увеличению магнитной индукции в сечениях стержней магнитопровода, неохваченных катушками 17. Последнее сопровождается увеличением тока в основной трехфазной

0 обмотке HP и переходом в точку 2 другой вольт-амперной характеристики HP (фиг.6). При этом возрастает и реактивная мощности, потребляемая HP. Изменяя угол зажигания тиристоров 18 и 19 от 90° до 0° можно

5 регулировать реактивную мощность потребляемую HP от значения соответствующего естественной в.а.х. его до максимального значения.

Вышеописанный процесс используется, например, для компенсации зарядной

мощности линии электропередачи. Для этого угол зажигания тиристоров 18 и 19 необходимо установить равным или близким к 0°.

Схема, представленная на фиг.5 используется также для ограничения коммутационных перенапряжений, имеющих место в начальный период переходного процесса. При переходном процессе тиристор 18 (или 19) закрыт (угол зажигания равен 90°), что равносильно его отсутствию, а тиристор 19 (или 18) открыт (угол зажигания его может регулироваться) и работает как диод (при угле зажигания равном 0°). В результате э.д.с. индуктируемая переменным магнитным полем в катушках 17 выпрямляется и по ним протекает выпрямленный юк который подмагничивает систему, а реактивная мощность, потребляемая HP при этом возрастает, что и обеспечивает ограничение коммутационных перенапряжений. Число витков в катушке 17 (фиг.5) выбирается как по условию создания м д с соответствующей величины, так и исходя из соображений снижения стоимости тиристорного блока Величина поперечного сечения второй продольной составляющей стержней 2, 5 и 8 принимается, исходя из необходимости получения нужного диапазона регулирования.

Кроме того, для расширения области применения реактора он имеет дополнительные однофазные совмещенные реакторы-автотрансформаторы (фиг.7). При отом фазы основной обмотки (катушки 11) реактора выполнены из двух частей, между которыми к зажимам AI и А2, BI и 62, Ci и С2, подключены реакторы-автотрансформаторы.

На фиг.7 показана одна из групп стержней 1, 2 и 3 магнитопровода HP и катушка 11 фазы А-Х основной трехфазной обмотки его (катушки компенсационной и фазосдви- гающей обмоток не показаны), которая соединена по автотрансформаторной схеме. Фазе А-Х соответствуют высшее напряжение DBH и среднее напряжение UCn По такой же схеме соединены и фазы основной трехфазной обмотки (на фиг.7 они не показаны), которые соединяются между собой в звезду, а нейтраль ее заземляется. Между витками автотрансформаторной обмотки HP, которые принадлежат только первичной стороне и витками этой обмотки, являющимися общими и для первичной и для вторичной сторон включен последовательно дополнительный автотрансформатор (ДАТ) небольшой мощности, который совмещен с управляемым реактором, причем регулирование осущестплчется посредством тиристора 23 и диодов 24 и 25. В

схеме ДАТ витки катушки 20 принадлежат только первичной стороне, витки катушек21 и 22 принадлежат и первичной и вторичной сторонам, числа витков катушек 21 и 22 взаимно равны. Коэффициенты трансформации основной обмотки реактора, которая соединена по автотрансформаторной схеме, и обмотки ДАТ равны.

Регулирование реактивной мощности

0 реактора посредством внешнего воздействия достигается следующим образом (фиг.7).

Тиристор 23 закрыт, что эквивалентно его отсутствию, т.е. через тиристор ток не

5 проходит. Когда потенциал точки Оз больше потенциала точки X (положительная полуволна), то ток I протекает по катушке 21 и диоду 24 (пс катушке 22 ток не протекает). Этот выпрямленный ток создает постоян0 ный магнитный поток, который насыщает магнитопроводДАТ, напряжение на обмотках последнего падает, а на обмотке HP возрастает (происходит перераспределение напряжения), а поэтому увеличивается

5 магнитная индукция в стержнях магнитопровода HP, ток его в основной обмотке также растет и, следовательно, возрастает потребляема HP реактивная мощность. Тиристор 23 также закрыт, т.е. через

0 тиристор ток не протекает, но потенциал точки Оз меньше потенциала точки X (отрицательная полуволна). При этом ток протекает по катушке 22 и диоду 25 (по катушке 21 ток не протекает). Этот выпрямленный

5 ток (также как и при положительной полуволне) создает постоянный магнитный поток, насыщающий магнитопровод ДАТ. Следовательно, (как и в предыдущем случае) напряжение на обмотках последнего

0 падает, а на обмотке HP возрастает и HP будет продолжать потреблять реактивную мощность той же величины, что и при положительной полуволне и закрытом тиристоре 23,

5 Тиристор 23 полностью открыт, т.е. по нему может протекать ток. В этом случае при положительной полуволне ток будет протекать и по катушке 21 и по катушке 22, а также через тиристор 23 и диод 24. При

0 отрицательной полуволне ток будет протекать через диод 25, тиристор 23, а также и по катушке 21 и по катушке 22. При положительной полуволне ток по указанным катуш- кам протекает в одном и том же

5 направлении, а при отрицательной полуволне ток по этим катушкам протекает в противоположном одном и том же направлении, т.е. по катушкам 21 и 22 протекает переменный ток Следовательно, магнитопровод ДАТ не подмлгни итззется постоянным полем и напряжение на его обмотках возрастает, а на основной обмотке HP уменьшается. Уменьшается и индукция в стержнях магнитопровода HP и ток в основной обмотке его, а значит и потребляемая Н Р реэктив- ная мощность. При изменении угла зажигания тиристора 23 от 90° до 0°, достигается плавное регулирование потребляемой HP реактивной мощности от максимального значения до некоторого минимального.

При выполнении основной обмотки реактора по автотрансформаторной схеме становится1 не нужным трансформатор с РПН, так как функцию регулирования напряжения выполняют силовой AT, который совмещен с реактором, и дополнительный AT (ДАТ), (фиг.7). Этот ДАТ, при открытом тиристоре 23, участвует в процессе передачи энергии с одной стороны силового AT на другую, причем силовой AT обеспечивает (92 - 86%) передаваемой мощности, а ДАТ соответственно (8 - 14%). Мощность ДАТ определяется необходимым диапазоном регулирования реактивной мощности.

При больших мощностях трехфазный насыщающийся реактор целесообразно реализовать на основе трех однофазных одинаковых блоков. На фиг.8 показан блок с пространственным магнитопроводом, а на фиг.9 с планарным. Магнитопровод пространственной конструкции состоит из трех отдельных 0-образных сердечников, шихтованных или витых. Кроме того, эти сердечники могут быть шихтованными и магнитосвязанными общими ярмами 16, при этом пластины ярма изготовляются изогнутыми под углом 120°, причем ось изгиба параллельна оси блока. Магнитопровод планарной конструкции однофазного блока (фиг.9) состоит и двух групп стержней (таких же, которые были рассмотрены выше, фиг.1 и 2) замкнутых общими ярмами 10. Фаза первичной обмотки выполняется при этом из двух катушек, направление намотки этих катушек противоположно и каждая из них охватывает одну из двух групп стерх- ней. Соединяются эти катушки параллельно так, чтобы образовывался циркулирующий магнитный поток в магнитопроводе каждого однофазного блока (фиг.9). При очень больших мощностях HP Магнитопровод планарной конструкции однофазного блока может быть выполнен для уменьшения высоты его с боковыми продольными ярмами.

При очень больших мощностях и сверхвысоких напряжениях каждый составной стержень реактора (в него входит группа стержней 1, 2, 3 или 4, 5, 6 или 7, 8, 9, см. фиг.1, 2 и 3) с катушками 11, 12, 13, 14,

целесообразно выполнить в виде броне- стержневого сердечника с этими обмотками (см. соответственно модули 1, 2 и 3 на фиг.10). Такой бронестержневой сердечник

состоит из трех стержней (например 1,2,3) и двух торцевых и двух боковых ярм (фиг.11 и фиг. 12). Обмотка 11 каждой фазы первичной обмотки выполняется состоящей из трех последовательно-встречно соединенных кату0 шек, причем, каждая из катушек охватывает поперечное сечение одного из трех стержней (например 1, 2 или 3), с точки зрения создания магнитодвижущей силы стержней данные три катушки эквивалентны одной

5 катушке фазы первичной обмотки, охватывающей поперечные сечения составляющих одного составного стержня (см. фиг.10 и фиг.З). Таким же образом, как и каждая фаза первичной обмотки 11, выполняется каждая

0 фаза компенсационной обмотки 12, т.е. и она состоит из трех последовательно- встречно соединенных катушек. Реактор реализованный по схеме представленной на фиг.10 состоит из трех одинаковых модулей

5 (конструкция одного модуля показана на фиг.11 и фиг.12), которые соединены между собой только гальванически. Очевидно, что технология изготовления серийных силовых автотрансформаторов (трансформаторов).

0 Модульный принцип выполнения реактора, реализованный на фиг.З, 9, 10, 11 и 12 позволяет также существенно снизить мощность аварийного резерва. При выполнении первичной обмотки по автотрансформатор5 ной схеме к каждой паре зажимов AI и А2, Bi и В2, Ci и С2 (фиг.10) подключается дополнительный однофазный автотрансформатор, совмещенный с управляемым реактором (фиг.7).

0 Формула изобретения

0 фазосдвигающую обмотку, содержащую по несколько катушек в каждой фазе с неравными числами витков, причем каждая катушка этой обмотки охватывает один из стержней группы, отличающийся тем.

5 что, с целью упрощения конструкции и уменьшения материалоемкости, каждая фаза фазосд вигающей обмотки выполнена из двух одинаковых пар катушек с отношением чисел витков катушек одной пары 1:0,532, эти пары катушек, соединенные в две параллельные ветви, вклоченные относительно начала фазы встречно, расположены на двух стержнях фазы, все катушки фазосдвигаю- щей обмотки соединены по схеме двойного зигзага с двумя нейтралями, а стержни групп замкнуты двумя общими продольными ярмами.

12

Ли /мл Vi 1

. L .и-Ы- -1 - -f - rfH- V 1 hi / Ji.

13,14

13,14

его применения, он имеет подмагничиваю- щие обмотки, тиристоры, разделенные на две продольные части стержни, на которых отсутствуют фазосдвигающие обмотки, причем сечение одной части разделенных стержней равно сечению неразделенных стержней, а сечение другой части равно 0,4 - 0,33 сечения первой тиристоры включены встречно параллельно и подсоединены к выводам подмагничивающих обмоток, насаженных на меньшие из частей разделенных стержней.

8 9

Фиг. I

01/8-2

Фиг, 4

и

зо

meernleuucut g.a.y. ч

Фиг. 6

стержень 2,5 и 8

ч составляющая стержня Г продольная составляющая стержня Физ.5

дополнительный автотранс

Фиг. 8

и ;/ вн

Фив. 7

бак

16

12

со

ч | r- r CSrnrv,

ш

t

S

в

в) s }

i

IIL18LI

%&%%ай%&яя%$

Vwyywvfi.njuwvf.v.fiAys./.rt/yftifrjfY.Y. yj

К .ЬЛ лJUtAAJ .Y,, Ц.СаД-Х-Х- - --у ;

RgftC«OOWK&&

c.

R

s e

3

f-I CO