электрический реактор с подмагничиванием

Формула изобретения

Электрический реактор с подмагничиванием, размещенный в баке, на крышке которого расположены вводы, и содержащий магнитную систему со средними стержнями, ярмами, двумя боковыми ярмами, на средних стержнях размещены обмотки управления, подключенные к регулируемому источнику постоянного напряжения, а каждая фаза трехфазной сетевой обмотки охватывает два соседних средних стержня реактора с обмотками управления, включенными встречно, отличающийся тем, что он снабжен трехфазной компенсационной обмоткой, соединенной в треугольник, каждая фаза которой расположена концентрично с фазой сетевой обмотки, и дополнительным трехфазным реактором, размещенным в упомянутом баке, обмотки которого одними концами соединены с вершинами треугольника компенсационных обмоток, а другими концами - с упомянутыми вводами на крышке бака, при этом

L_к+L=(0,5-1,2)L_н,

где L_к - индуктивность короткого замыкания сетевой и компенсационной обмоток;

L - индуктивность дополнительного реактора, приведенная к числу витков сетевой обмотки,

L_н - номинальная индуктивность электрического реактора с подмагничиванием.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управляемых подмагничиванием реакторов, устанавливаемых, например, в электрической сети для компенсации реактивной мощности.

Известен электрический реактор с подмагничиванием [1], содержащий магнитную систему со средними стержнями, двумя ярмами, с двумя боковыми ярмами. На средних стержнях размещены обмотки управления. На средних стержнях размещены также сетевые обмотки, охватывающие обмотки управления. Для повышения надежности и увеличения быстродействия между сетевыми обмотками одной фазы имеются сложные электрические пересоединения. Помимо сложности конструкции недостатком [1] является повышенный расход основных материалов - проводникового материала сетевых обмоток и электротехнической стали магнитной системы. В реакторе-аналоге [1] имеются искажения тока из-за высших гармоник.

Частично недостатки [1] устранены в известном устройстве [2], являющемся наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению. Так же, как и в аналоге [1], в этом устройстве - прототипе имеется магнитная система со стержнями, ярмами, двумя боковыми ярмами. На стержнях размещены обмотки управления, подключенные к регулируемому источнику постоянного напряжения, и сетевые обмотки, охватывающие два соседних стержня с обмотками управления. Реактор размещен в баке, на крышке которого расположены вводы. В отличие от аналога [1], имеется не две, а одна сетевая обмотка, охватывающая два соседних стержня с обмотками управления, что позволяет упростить конструкцию и сократить расход материалов. Однако известный реактор [2] имеет искажения тока из-за высших гармоник, имеет ограниченные функциональные возможности, т. к., работая в сети, он может только потреблять из сети реактивную мощность.

Целью изобретения является уменьшение тока искажения высшими гармониками, расширение функциональных возможностей реактора, повышение электродинамической стойкости при к.з.

Поставленная цель достигается тем, что электрический реактор с подмагничиванием, размещенный в баке, на крышке которого расположены вводы, и содержащий магнитную систему со средними стержнями, ярмами, двумя боковыми ярмами, на средних стержнях размещены обмотки управления, подключенные к регулируемому источнику постоянного напряжения, а каждая фаза трехфазной сетевой обмотки охватывает два соседних средних стержня с обмотками управления, включенными встречно, снабжен трехфазной компенсационной обмоткой, соединенной в треугольник, каждая фаза которой расположена концентрично с фазой сетевой обмотки, и дополнительным трехфазным реактором, размещенным в упомянутом баке, обмотки которого одними концами соединены с вершинами треугольника компенсационных обмоток, а другими концами - с упомянутыми вводами на крышке бака, при этом

L_к+L=(0,5-1,2)L_н,

где L_к - индуктивность короткого замыкания сетевой и компенсационной обмоток,

L - индуктивность дополнительного реактора, приведенная к числу витков сетевой обмотки,

L_н - номинальная индуктивность электрического реактора с подмагничиванием.

Предлагаемый электрический реактор с подмагничиванием поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана конструкция магнитной системы реактора с обмотками в сечении по главной оси, на фиг.2 - сечение реактора с обмотками в плане, на фиг. 3 - дополнительный реактор, на фиг.4 показано место установки дополнительного реактора в баке и на фиг.5 - схема соединения обмоток основного реактора и дополнительного реактора.

Магнитная система реактора содержит стержни 1-6, два ярма (горизонтальных) - верхнее 7 и нижнее 8, два боковых ярма 9 и 10. На всех стержнях размещены обмотки управления 11-16. В реакторе имеются три (по числу фаз А, В и С) сетевые обмотки 17, 18 и 19. Каждая сетевая обмотка охватывает два соседних стержня фазы с обмотками управления. Концентрично с сетевыми обмоткам на каждой фазе установлены компенсационные обмотки 20, 21 и 22. Реактор помещен в бак 23, на крышке 24 которого установлены вводы. В баке вместе с реактором размещен дополнительный трехфазный реактор 25, который представляет собой, например, три расположенные друг над другом на изоляционном цилиндре катушки индуктивности 26, 27 и 28.

Сетевые обмотки 17-19 соединены в трехфазную схему (например, в звезду с нейтралью) и выведены на крышку бака вводами А, В, С и 0. Расположенные на соседних стержнях каждой из трех фаз обмотки управления (11 и 12, 13 и 14, 15 и 16) попарно соединены последовательно встречно, эти пары соединены между собой параллельно и подсоединены к вводам "+" и "-" на крышке бака. Возможно и другое соединение обмоток управления, например последовательное, параллельное, смешанное.

Компенсационные обмотки 20, 21 и 22 соединены в треугольник. Обмотки дополнительного трехфазного реактора 26, 27 и 28 одними концами соединены с вершинами треугольника компенсационных обмоток, а другими концами - с вводами на крышке бака "а", "b" и "с".

Электрический реактор с подмагничиванием, выполненный в соответствии с формулой предлагаемого изобретения, работает следующим образом.

При подключении к вводам сетевых обмоток А, В и С трехфазной электрической сети переменного тока и отключенном регулируемом источнике постоянного тока в каждых двух соседних стержнях, например 1 и 2, возникают одинаковые по величине и направлению переменные магнитные потоки с амплитудой Ф_m, замыкающиеся через ярма 7, 8 и боковые ярма 9, 10. Амплитуда потоков Ф_m примерно равна потоку насыщения стержней Ф_s (это соответствует наиболее рациональному использованию стали стержней), а постоянный магнитный поток отсутствует. Во всех сечениях магнитной системы поток не превышает поток насыщения Ф_s (равный индукции насыщения стали, помноженной на площадь сечения стали), поэтому ток реактора практически очень невелик. Такой режим работы реактора называют режимом холостого хода.

Управление мощности реактора осуществляется подключением к вводам "+" и "-" обмоток управления регулируемого источника постоянного напряжения, например регулируемого преобразователя (выпрямителя). При подключении выпрямителя к обмоткам управления в них возникает ток, который приводит к возникновению и нарастанию потока подмагничивания Ф₀ (постоянной составляющей в кривой потока). В соседних стержнях этот поток Ф₀ направлен в разные стороны (из-за встречного включения обмоток управления). Так как на поток подмагничивания Ф₀ накладывается переменный поток Ф_s, результирующий поток начинает смещаться в область насыщения стали, т.е. стержни оказываются насыщенными некоторую часть периода. В свою очередь, насыщение стержней приводит к возрастанию тока в сетевых обмотках. Этот ток реактора состоит из частей синусоид, т.е. он содержит и основную первую гармонику сети, и нежелательные высшие гармоники.

Основная функция введенных в реактор компенсационных обмоток - снижение искажающих сетевой ток реактора высших гармоник. Включение компенсационных обмоток в треугольник приводит к тому, что все токи высших гармоник, кратные 3, замыкаются в этом треугольнике и не выходят в сеть. К вводам на крышке бака "а", "b" и "с" могут присоединяться конденсаторы или реакторно-конденсаторные фильтры, которые замыкают на себя токи высших гармоник, снижая их в токе сетевых обмоток. Одна из функций введенных дополнительных реакторов - выполнение ими роли реакторов фильтров высших гармоник.

Вторая функция компенсационных обмоток - это выполнение ими функции трансформаторных обмоток в реакторе, т.е. превращение реактора-прототипа в реактор-трансформатор. Это значит, что к вводам "а", "b" и "с" может быть подключена нагрузка, например регулируемый выпрямитель для реактора или нагрузка собственных нужд подстанции. Возможно также подключение батареи конденсаторов. В этом случае реактор превращается в регулируемый источник и потребитель реактивной мощности (без таких конденсаторов реактор - только потребитель реактивной мощности).

При подключении к вводам "а", "b" и "с" быстродействующего выключателя (короткозамыкателя) реактор мгновенно выходит на мощность форсировки. Таким образом, компенсируется инерционность - один из недостатков реакторов, управляемых подмагничиванием.

В итоге введение компенсационной обмотки существенным образом расширяет функциональные возможности реактора с подмагничиванием.

Компенсационные обмотки, выполняющие функции снижения в токе высших гармоник, имеют небольшую мощность, т.е. малое сечение проводов. Но при коротком замыкании на вводах "а", "b" и "с" ток короткого замыкания, определяемый индуктивностью короткого замыкания между сетевой и компенсационной обмотками, может оказаться большим, опасным для электродинамической стойкости компенсационной обмотки. Важная функция введенных дополнительных реакторов - ограничение тока короткого замыкания. При этом важно, что дополнительные реакторы расположены в одном баке с основным реактором. При этом наиболее опасное для обмоток короткое замыкание непосредственно на компенсационной обмотке становится невозможным. Выполнение дополнительным реактором двух функций - ограничение тока короткого замыкания и обеспечение режима форсировки - возможно только тогда, когда номинальные параметры и геометрические размеры обмоток реактора и дополнительного реактора связаны соотношением:

L_к+L=(0,5-1,2)L_н,

где L_к - индуктивность короткого замыкания обмоток сетевой и компенсационной,

L - индуктивность дополнительного реактора, приведенная к числу витков сетевой обмотки,

L_н - номинальная индуктивность управляемого реактора.

Границы этого соотношения определены коэффициентами 0,5 и 1,2. При коэффициенте 0,5 ток короткого замыкания в сетевой обмотке становится равным ее двойному номинальному току. Однако номинальная мощность компенсационной обмотки обычно для экономии активных материалов выбирается небольшой (например, 20% по отношению к номинальной мощности реактора, т.е. сетевой обмотки). Поэтому кратность тока короткого замыкания в компенсационной обмотке будет большой (в нашем примере при коэффициенте 0,5 ток короткого замыкания компенсационной обмотки будет 10-кратным). По дополнительным расчетам коэффициент 0,5 является нижней границей, при этом возможно обеспечить электродинамическую стойкость реактора без применения серьезных и дорогих мер. Расчетные исследования показали, что коэффициент 1,2 является верхней границей. Если этот коэффициент будет больше, то резко снижается эффективность функции реактора при быстродействующем наборе мощности, а также снижается эффект дополнительных реакторов как элементов индуктивно-емкостного фильтра высших гармоник.

Работоспособность предлагаемого управляемого подмагничиванием электрического реактора и его высокие технико-экономические показатели подтверждены расчетами и физическим моделированием. По сравнению с аналогом и прототипом предлагаемое изобретение обладает явным преимуществом - улучшением формы кривой тока, уменьшением потерь, а также расхода материалов.

Литература

1. Электрический реактор с подмагничиванием. Патент РФ 1762322. Н 01 F 29/14. Бюллетень изобретений 34, 1992 г.

2. Core for electrical apparatus. Paul A. Vanse. Патент США 2267382. Application Juli 23, 1940, Serial N 346904. Patendet Dec. 23, 1941.