управляемый шунтирующий реактор (варианты)

Формула изобретения

1. Управляемый шунтирующий реактор, содержащий магнитопровод, основную обмотку, управляющую обмотку, расщепленную на несколько секций, тиристорные управляемые блоки, отличающийся тем, что в часть секций управляющей обмотки включены токоограничивающие дроссели последовательно с тиристорными управляемыми блоками, причем управляющая обмотка расщеплена на секции так, что число витков каждой последующей ступени регулирования равно или больше числу витков всех предыдущих ступеней регулирования.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что все обмотки дросселей расположены на общем отдельном магнитопроводе.

3. Реактор по п.1 или 2, отличающийся тем, что магнитопровод расположен внутри основной обмотки, снаружи которой размещена одна из секций управляющей обмотки, высота которой равна высоте основной обмотки, все остальные секции управляющей обмотки соединены последовательно, выполнены в виде одной обмотки, расположенной снаружи упомянутой секции управляющей обмотки, причем напряжение короткого замыкания основной обмотки относительно секции управляющей обмотки равно 100% от номинального напряжения, а относительно последовательно соединенных секций управляющей обмотки - 200%.

4. Реактор по п.1 или 2, отличающийся тем, что он снабжен компенсационной обмоткой, причем магнитопровод расположен внутри одной из секций управляющей обмотки, снаружи этой секции расположена компенсационная обмотка, которая охвачена основной обмоткой, все остальные секции управляющей обмотки соединены последовательно, выполнены в виде одной обмотки, расположенной снаружи основной, а высота этой обмотки равна высоте основной обмотки, причем напряжение короткого замыкания основной обмотки относительно упомянутой секции и всех остальных секций управляющей обмотки равно 200% от номинального напряжения, а напряжение короткого замыкания упомянутой секции и всех остальных секций управляющей обмотки относительно друг друга составляет 400%.

5. Реактор по п.1 или 2, отличающийся тем, что все секции управляющей обмотки соединены последовательно и выполнены в виде одной катушечной обмотки, высота которой равна высоте основной обмотки, причем управляющая обмотка расположена непосредственно на магнитопроводе, а основная обмотка расположена снаружи управляющей обмотки, причем напряжение короткого замыкания основной обмотки относительно управляющей обмотки равно 100% от номинального напряжения.

6. Реактор по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что в нем установлены прижимные балки ярем, выполненные из немагнитного материала, а торцевые части всех обмоток закрыты дополнительными ярмами.

7. Реактор по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что на выводах всех обмоток установлены нелинейные ограничители перенапряжений.

8. Управляемый шунтирующий реактор, содержащий магнитопровод, основную обмотку, управляющую обмотку, расщепленную на несколько секций, тиристорные управляемые блоки, отличающийся тем, что в часть секций управляющей обмотки включены токоограничивающие дроссели последовательно с тиристорными управляемыми блоками, причем управляющая обмотка расщеплена на секции так, что число витков каждой последующей ступени регулирования кратно числу витков первой ступени регулирования.

9. Реактор по п.8, отличающийся тем, что все обмотки дросселей расположены на общем отдельном магнитопроводе.

10. Реактор по п.8 или 9, отличающийся тем, что магнитопровод расположен внутри основной обмотки, снаружи которой размещена одна из секций управляющей обмотки, высота которой равна высоте основной обмотки, все остальные секции управляющей обмотки соединены последовательно, выполнены в виде одной обмотки, расположенной снаружи упомянутой секции управляющей обмотки, причем напряжение короткого замыкания основной обмотки относительно секции управляющей обмотки равно 100% от номинального напряжения, а относительно последовательно соединенных секций управляющей обмотки - 200%.

11. Реактор по п.8 или 9, отличающийся тем, что он снабжен компенсационной обмоткой, причем магнитопровод расположен внутри одной из секций управляющей обмотки, снаружи этой секции расположена компенсационная обмотка, которая охвачена основной обмоткой, все остальные секции управляющей обмотки соединены последовательно, выполнены в виде одной обмотки, расположенной снаружи основной, а высота этой обмотки равна высоте основной обмотки, причем напряжение короткого замыкания основной обмотки относительно упомянутой секции и всех остальных секций управляющей обмотки равно 200% от номинального напряжения, а напряжение короткого замыкания упомянутой секции и всех остальных секций управляющей обмотки относительно друг друга составляет 400%.

12. Реактор по п.8 или 9, отличающийся тем, что все секции управляющей обмотки соединены последовательно и выполнены в виде одной катушечной обмотки, высота которой равна высоте основной обмотки, причем управляющая обмотка расположена непосредственно на магнитопроводе, а основная обмотка расположена снаружи управляющей обмотки, причем напряжение короткого замыкания основной обмотки относительно управляющей обмотки равно 100% от номинального напряжения.

13. Реактор по одному из пп.8 - 12, отличающийся тем, что в нем установлены прижимные балки ярем, выполненные из немагнитного материала, а торцевые части всех обмоток закрыты дополнительными ярмами.

14. Реактор по одному из пп.8 - 12, отличающийся тем, что на выводах всех обмоток установлены нелинейные ограничители перенапряжений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано в качестве плавнорегулируемого индуктивного сопротивления, в частности, в качестве статического компенсатора реактивной мощности для выполнения пропускной способности электрических сетей, а также в качестве дугогасящего устройства.

Известны конструкции управляемых реакторов для регулирования потребления реактивной мощности, управление которыми осуществляется путем подмагничивания их магнитопроводов постоянным током и содержащих специальную обмотку подмагничивания [1].

Недостатком этих конструкций является необходимость применения регулируемых источников постоянного подмагничивающего тока, высокий уровень добавочных потерь от полей рассеяния вследствие создания в магнитопроводах таких реакторов, участков с глубоким насыщением и обусловленная подмагничивающим выпрямленным током большая инерционность реактора (время изменения мощности реактора от холостого хода до номинальной происходит за 0,3 с).

Наиболее близким техническим решением является управляемый шунтирующий реактор, содержащий магнитопровод, основную и управляющую обмотки и тиристорные блоки [2].

Недостатком такой конструкции является высокий уровень гармонических составляющих в токе реактора, вызванных токами через тиристоры, пропускаемыми в течение части полупериода питающего напряжения и трансформируемыми в основную обмотку реактора и высокий уровень потерь мощности в реакторе. Содержание гармоник особенно велико при малых токах, потребляемых основной обмоткой реактора и соответствующих большим углам отпирания тиристоров (от 90 до 180^o).

Данное изобретение устраняет указанные недостатки.

Техническим результатом изобретения является ограничение высших гармонических в токе основной обмотки реактора до любого наперед заданного уровня; уменьшение добавочных потерь от потоков рассеяния в реакторе и, как следствие, уменьшение полных потерь в реакторе; отсутствие выпрямленного тока в обмотках определяет практическую безинерционность реактора (время изменения мощности реактора от холостого хода до номинальной определяется только временем отпирания тиристоров и не превышает 0,02 с).

Технический результат изобретения достигается тем, что в управляемый шунтирующий реактор, содержащий магнитопровод, основную обмотку и тиристорный управляемый блок установлена управляющая обмотка, выполненная в виде нескольких последовательно соединенных секций, тиристорный блок выполнен в виде нескольких блоков, которые шунтируют секции, в часть секций включены токоограничивающие дроссели, а число витков каждой последующей секции равно или больше числа витков всех предыдущих секций.

Управляющая обмотка разделена на секции так, что число витков каждой последующей секции кратно числу витков первой секции.

Управляющая обмотка выполнена в виде двух частей, одна из которых имеет несколько секций, каждая часть имеет высоту, равную высоте основной обмотки, обе части расположены внутри или снаружи основной обмотки, причем напряжение короткого замыкания одной части управляющей обмотки по отношению к основной обмотке составляет 100% от номинального напряжения, а второй части из нескольких секций - 200%.

Управляющая обмотка выполнена из двух частей одинаковой высоты, равной высоте основной обмотки, одна из которых расположена внутри основной обмотки, а другая снаружи, причем напряжение короткого замыкания основной обмотки относительно обеих частей управляющей обмотки равно 200% от номинального напряжения, а напряжение короткого замыкания двух частей обмотки относительно друг друга составляет 400%.

Все секции управляющей обмотки объединены в одну обмотку, высота которой равна высоте основной обмотки и расположены внутри или снаружи основной обмотки, причем напряжение короткого замыкания основной обмотки относительно управляющей обмотки в целом равно 100% от номинального напряжения.

В реакторе установлены прижимные балки ярем, выполненные из магнитного материала, а торцевые части всех обмоток закрыты дополнительными ярмами.

На фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема обмоток реактора для всех вариантов конструктивного исполнения; на фиг.2 - схема расположения обмоток реактора относительно магнитопровода по первому конструктивному варианту исполнения (п.3 формулы изобретения); на фиг.3 - электрическая схема реактора, соответствующая конструктивному варианту (по п.4); на фиг.4 - схема расположения обмоток реактора относительно магнитопровода по второму конструктивному варианту исполнения (п.4 формулы изобретения); на фиг.5 - схема расположения обмоток реактора относительно магнитопровода по третьему конструктивному варианту исполнения (п.5 формулы изобретения); на фиг.6 - электрическая схема реактора, соответствующая конструктивному варианту (по п. 5 формулы изобретения); на фиг.7 - схема коммутации управляющей обмотки, по третьему конструктивному варианту исполнения (п.5 формулы изобретения); на фиг.8 - 10 - схемы компоновки реактора с дополнительными ярмами и прижимными балками (фиг.8 - фронтальная проекция, фиг.9 - горизонтальная и фиг.10 - вертикальная проекции реактора).

Управляемый шунтирующий реактор (фиг. 1) содержит основную обмотку 1, компенсационную обмотку 2, последовательно соединенные секции 3, 4, 5, представляющие собой часть управляющей обмотки 6, а также ее секцию 7. Причем управляющая обмотка расщеплена на секции 3, 4, 5, 7 так, что число витков каждой последующей ступени регулирования равно или больше числу витков всех предыдущих ступеней регулирования.

По второму варианту изобретения управляющая обмотка расщеплена на секции так, что число витков каждой последующей ступени регулирования кратно числу витков первой ступени регулирования.

Все обмотки дросселей 13, 14, 15 могут быть расположены на общем отдельном магнитопроводе.

Магнитопровод 16 (его основной стержень) может быть распложен внутри основной обмотки 1. Снаружи основной обмотки 1 размещена секция 7 управляющей обмотки, высота которой равна высоте основной обмотки 1. Все остальные секции 3, 4, 5 соединены последовательно и выполнены в виде одной обмотки, расположенной снаружи секции 7 управляющей обмотки. Причем напряжение короткого замыкания основной обмотки 1 относительно секции 7 управляющей обмотки равно 100% от номинального напряжения, а относительно последовательно соединенных секций 3, 4, 5 управляющей обмотки - 200% (фиг.1, 2).

Магнитопровод 16 может быть расположен внутри секции 7 управляющей обмотки 6. Снаружи этой секции 7 расположена компенсационная обмотка 2, которая охвачена основной обмоткой 1. Все остальные секции 3, 4, 5 управляющей обмотки 6 соединены последовательно и выполнены в виде одной обмотки, расположенной снаружи основной обмотки 1. Причем напряжение короткого замыкания U_кз основной обмотки 1 относительно первой секции 7 и всех остальных секций 3, 4, 5 управляющей обмотки равно 200% от номинального напряжения, а напряжение короткого замыкания первой секции 7 и всех остальных секций управляющей обмотки относительно друг друга составляет 400% (фиг.3, 4).

Все секции 3, 4, 5 и 7 управляющей обмотки 6 могут быть соединены последовательно и выполнены в виде одной обмотки, высота которой равна высоте основной обмотки 1. Причем напряжение короткого замыкания основной обмотки 1 относительно управляющей обмотки 6 равно 100% от номинального напряжения (фиг.6).

Секции 3, 4, 5 шунтированы тиристорными управляемыми блоками 8, 9, 10, 11, секция 7 управляющей обмотки шунтирована управляемым тиристорным блоком 12, в данном случае в цепь секции 3, 4, 5 включены дополнительные дроссели 13, 14, 15.

На фиг.7 приведена схема коммутации управляющей обмотки по соединению и компоновке, представленных на фиг.5 и 6. В данном случае в цепь части управляющей обмотки 6 установлен дополнительный дроссель 18.

На фиг.8 - 10 представлены проекции реактора, где показаны прижимные балки 19 для стягивания ярма 17, добавочные магнитопроводы 20, устанавливаемые для создания замкнутых контуров потокам рассеяния, продольные дополнительные ярма 21 (фиг.9 и 10) и управляющая обмотка 22 в целом.

Управляемый шунтирующий реактор, содержащий магнитопровод, основную обмотку, управляющую обмотку расщепленную на несколько секций тиристорные управляемые блоки, в котором в часть секций управляющей обмотки включены токоограничивающие дроссели, которые шунтированы тиристорными управляемыми блоками, может быть выполнен с управляющей обмоткой, расщепленной на секции так, что число витков каждой последующей ступени регулирования кратно числу витков первой ступени регулирования.

Конструктивные варианты такого исполнения повторяют все конструктивные варианты исполнения реактора при расщеплении управляющей обмотки на секции, при котором число витков каждой последующей ступени регулирования равно или больше числа витков всех предыдущих ступеней регулирования.

Устройство работает следующим образом.

На холостом ходу реактора (фиг.1 и 3) все тиристорные блоки 8, 9, 10, 11, 12 заперты, в управляющей обмотке 6, 7 тока нет, а в основной обмотке 1 протекает небольшой ток, обеспечивающий создание основного магнитного потока в стержне магнитопровода 16 (фиг.2, 4, 5). При отпирании тиристоров блока 8 секции 3 управляющей обмотки и при отсутствии дросселя 13 ток в основной обмотке 1 был бы близок к 50% от номинального, так как напряжение короткого замыкания основной обмотки 1 по отношению к части управляющей обмотки 6 и ее секции 3 невелико. Для ограничения тока в основной обмотке 1 и соответственно в секции 3 управляющей обмотки необходимо использовать дополнительный дроссель 13. Параметры этого дросселя подбираются так, чтобы ток в секции 3 управляющей обмотки при полном открытии тиристоров 8 был равен номинальному току управляющей обмотки. При этом ток в основной обмотке 1 будет равен ее номинальному току, помноженному на отношение числа витков секции 3 и всей обмотки управления в целом.

Последовательное отпирание тиристорных блоков 8, 9, 10, 11 обеспечивает плавное увеличение мощности реактора вплоть до 50% от номинальной мощности, поскольку напряжение короткого замыкания основной обмотки 1 относительно части управляющей обмотки 6 составляет 200%. Это означает, что для получения 100% мощности при коротком замыкании части управляющей обмотки 6 необходимо увеличить напряжение на реакторе вдвое, что невозможно. При замыкании тиристорного блока 11 все дополнительные дроссели 13, 14, 15 выводятся из работы (ток через них уменьшается до нуля). Дальнейшее увеличение мощности реактора обеспечивается постепенным отпиранием тиристоров блока 12 вплоть до его номинальной мощности. При этом, поскольку напряжение короткого замыкания основной обмотки 1 относительно секции 7 управляющей обмотки равно 100%, ток в этой секции 7 управляющей обмотки близок к номинальному, а в части управляющей обмотки 6 ток значительно уменьшается.

Таким образом, в номинальном режиме секция 7 управляющей обмотки работает практически на полную мощность, а часть управляющей обмотки 6 со всеми ее секциями 3, 4, 5 не используется. Ограниченная мощность части управляющей обмотки 6 позволяет ограничить мощность дросселей 13, 14, 15 до 15% от номинальной мощности реактора. При этом обе части управляющей обмотки 6, 7 могут быть размещены как внутри управляющей обмотки, так и снаружи. От такого расположения обмоток работа реактора не изменяется. Для эффективного использования обмоточного материала в номинальном режиме работы реактора целесообразно увеличить напряжение короткого замыкания части управляющей обмотки 7 до 200%. Этого можно достичь только при расположении двух частей обмоток 6 и 7 по разные стороны от основной обмотки 1 (одна секция 7 управляющей обмотки - внутри, а другая часть 6 - снаружи. (фиг.3, 4).

Зазор между секцией 7 управляющей обмотки и основной обмотки 1, а также конструктивные параметры этих обмоток выбраны так, что напряжение короткого замыкания основной обмотки 1 относительно секции 7 управляющей обмотки 7 составляет 200% от номинального напряжения реактора. Все остальные секции управляющей обмотки 3, 4, 5, соединенные последовательно, составляют одну обмотку и имеют такую же высоту, как и высота основной обмотки. Напряжение короткого замыкания основной обмотки 1 относительно последовательно соединенных секций управляющей обмотки 3, 4, 5 составляет 200% от номинального напряжения реактора. При этом напряжение короткого замыкания между секцией 7 управляющей обмотки и частью управляющей обмотки 6 составляет 400%. При полном открытии тиристоров блока 11 (фиг.3) все дополнительные дроссели шунтируются, а мощность управляемого реактора составляет 50% его номинальной мощности, что обеспечивается соотношениями размеров основной обмотки и секционированной обмотки управления, определяющими напряжение короткого замыкания 200%. При полном открытии тиристоров блока 12 (фиг. 3) мощность управляемого реактора увеличивается на 50% и достигает 100%, что обеспечивается соотношениями размеров основной обмотки и несекционированной части управляющей обмотки, определяющими напряжение короткого замыкания 200%. Мощности и токи в частях управляющей обмотки 7 и 6 (секция 6 - это последовательно соединенные секции 3, 4 и 5) примерно одинаковы. Это обстоятельство обеспечивает полное использование проводникового материала, но из-за большого зазора между обмотками 7 и 1 расходуется повышенное его количество. Для лучшего использования объема управляемого реактора компенсационные обмотки 2 трехфазного реактора могут быть расположены в большом зазоре (фиг. 4) между обмотками 7 и 1 и соединяются в треугольник.

Сокращение расхода проводникового материала управляемого реактора достигается в третьем варианте исполнения (фиг.5 - 7), где все секции управляющей обмотки соединены последовательно, составляют одну обмотку, имеющую такую же высоту, как и обмотка 1. В этом случае напряжение короткого замыкания обмотки 1 относительно управляющей обмотки равно 100%. Эта конструкция обеспечивает наименьший расход активных материалов.

Управляющая обмотка может быть расположена как внутри, так и снаружи основной обмотки 1. Разделение ее на секции производят послойно, чтобы избежать поперечных магнитных потоков и снизить потери в реакторе. При таком расположении секции управляющей обмотки напряжение короткого замыкания основной обмотки 1 относительно каждой секции 3, 4, 5, 6, 7 (фиг.5-7) близко к 100%. Поэтому при замыкании накоротко (при полном открытии тиристоров блока 8) ток в основной обмотке 1 достигает номинального. Для ограничения тока в соответствии с относительным числом витков секции 3 необходимо использовать в цепи управления этой секции дроссель 13. Мощность его при том же относительном числе витков секции 3, как и в первых двух вариантах расположения управляющей обмотки, практически вдвое больше, так как вдвое больше напряжение короткого замыкания секционированной обмотки (100% вместо 50%). При последовательном открытии блоков тиристоров 9, 10, 11, 12 мощность реактора увеличится вплоть до номинальной. При этом только в цепи коммутации блока 12 не требуется дополнительного дросселя, так как при коротком замыкании всей обмотки в целом по основной обмотке 1 и управляющей обмотке протекает номинальный ток. В отличие от первого варианта (фиг.1) все секции управляющей обмотки полностью используются в номинальном режиме реактора, а занимаемый обмотками объем минимален, так как определен только изоляционным слоем между обмотками.

Следует заметить, что во всех вариантах исполнения реакторов при необходимости быстрого увеличения их мощности отпирают только последний тиристорный блок 12, т.е. все остальные блоки им шунтируются.

Во втором варианте разнесенных частей управляющей обмотки по разные стороны основной обмотки 1 необходимо также отпереть тиристорный блок 11, так как в этом варианте секция 7 управляющей обмотки обеспечивает лишь 50% мощности реактора.

Вытеснение магнитного потока из основного стержня магнитопровода при короткозамкнутых секциях управляющей обмотки может привести к значительному увеличению добавочных потерь в реакторе от потоков рассеяния. Поэтому необходимо собрать этот поток рассеяния в магнитопровод с наименьшим магнитным сопротивлением. Для этого в управляемом реакторе предусмотрены дополнительные ярма 21 (фиг.8-10), прикрывающие со всех сторон (с двух сторон от основных ярем 17) обмотки 22 и 1 и зазор между ними. Прижимные балки 19 для стягивания ярма 17 предусмотрены немагнитными (например, изоляционными из нержавеющей стали), тоже для уменьшения потерь в реакторе от потока рассеяния. Для создания замкнутых контуров потокам рассеяния при пофазном исполнении реактора дополнительные ярма могут замыкаться по концам стержнями добавочного магнитопровода 20.

Дополнительные ярма могут быть выполнены в виде колец, немагнитных из листовой стали, ширина которых обеспечивает сбор магнитного потока из зазоров между обмотками и из объема, занятого обмотками. Максимальное сечение кольцевого ярма равно четверти от сечения основного ярма по величине максимального магнитного потока при номинальном токе реактора, когда весь магнитный поток вытеснен из основного стержня. Для использования возможности циркуляции индуцированных токов в кольцевых ярмах они должны иметь поперечные сплошные прорези. При использовании кольцевых ярем высота окна магнитопровода между основными ярмами увеличивается на двойную толщину кольцевых ярем по сравнению с вариантом продольных дополнительных ярем 21 (фиг.9, 10). Соответственно увеличивается длина стержней магнитопровода.

Задача компенсации третьей гармонической в кривой тока реактора решается известным способом путем установки дополнительных компенсационных обмоток 2 на каждой фазе реактора и соединения их в треугольник. Мощность компенсационных обмоток определяется мощностью третьей гармонической и ориентировочно составляет 10% от номинальной мощности ректора.

Для ограничения перенапряжений при быстром изменении тока в реакторе на выводах всех обмоток устанавливаются нелинейные ограничители перенапряжений.

Таким образом, создаваемые высшие гармонические в кривой тока коммутируемой тиристорами секции индуцируют противоЭ.Д.С. в короткозамкнутых частях предыдущих секций, суммарная мощность которых превосходит мощность коммутируемой секции при неполных углах открытия тиристорных блоков. В результате содержания высших гармонических в магнитном потоке ограничивается, что и приводит к ограничению высших гармонических в токе основной обмотки 1 до любого наперед заданного значения.

Наиболее эффективно ограничиваются высшие гармонические, когда полная мощность (полное число витков) коммутируемой секции незначительно превосходит суммарную мощность (число витков) всех предыдущих секций, например, на 10% (п. 1 формулы изобретения). Можно рекомендовать следующий ряд мощностей (число витков) последовательных ступеней регулирования управляемого реактора: 5; 10.5; 22; 46; 100% либо 10; 21,55; 46,44; 100%. При этом обеспечивается содержание высших гармонических в кривой тока на всех секциях регулирования управляемого реактора не более 4% от протекающего тока и не более 3% от номинального тока.

Однако, если достаточно обеспечить ограничение высших гармонических только на уровне 3% от номинального тока реактора, управляющая обмотка может быть разделена на меньшее число секций при одинаковой мощности (числе витков) всех секций управляющей обмотки 6, 7. Тогда при количестве секций управляющей обмотки, равном n, мощность (число витков) первой секции регулировании будет равна Q_ном/n; мощность второй - 2 Q_ном/n и т.д. вплоть до Q_ном. Например, при трех секциях регулирования полная мощность первой секции составит 0,33 Q_ном, полная мощность второй секции - 0,67 Q_ном, полная мощность третьей ступени - Q_ном. Промежуточные значения мощности получаются при неполных углах открытия тиристоров.

Необходимость обеспечения именно 100%-го напряжения короткого замыкания при замыкании всех секций управляющей обмотки 6, 7 вызвана тем, что при меньшем значении напряжения короткого замыкания будет иметь место перегрев обмоток реактора, а при большем значении не будет обеспечиваться его номинальная мощность.

Управляющие обмотки во всех вариантах исполнения разделены на несколько последовательно соединенных секций, коммутируемых порознь.

Во всех вариантах исполнения реактор имеет компенсационные обмотки на каждой фазе для компенсации третьей гармонической в кривой тока реактора, которые соединяются в треугольник.

На выводах всех обмоток и их секций установлены нелинейные ограничители перенапряжений.