МОЩНЫЙ РЕАКТОР ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ
HEAVY-DUTY REACTOR FOR POWER TRANSMISSION

Настоящее изобретение относится к мощным реакторам для передачи энергии, в частности к мощным маслонаполненным реакторам.
Как известно из электротехники, реакторы, предназначенные для передачи энергии, обладают реактивным сопротивлением при прохождении электрического тока.
В связи с этим мы напомним, что реактивное сопротивление - это коэффициент при мнимой части полного сопротивления, физическая величина, которая в случае переменного или синусоидального тока выражает соотношение между напряжением и током, то есть аналогична сопротивлению при постоянном токе.
В настоящее время на рынке представлено большое количество конструктивных решений мощных реакторов, но они по существу сводятся к двум категориям, а именно реакторам с воздушной изоляцией и реакторам с масляной изоляцией.
Реакторы с воздушной изоляцией, подходящие, в частности, из-за низкого коэффициента индукции, содержат одну или несколько катушек открытого исполнения или с обмотками, залитыми эпоксидным компаундом.
Реакторы с воздушной изоляцией имеют преимущество в линейной зависимости тока от напряжения, а недостатки заключаются в том, что требуются проводники большого сечения для обеспечения отвода энергии, генерируемой вследствие потерь в проводниках, так как охлаждающей средой является воздух.
С другой стороны, реакторы с масляной изоляцией или с изоляцией другой диэлектрической жидкостью имеют профилированный корпус, обычно в форме параллелепипеда, выполненного из металла, например магнитной стали, внутри которого размещена погруженная в масло катушка на опорах различного типа.
В частности, опоры прикрепляются к крышке, закрывающей корпус сверху, где, среди прочего, обычно расположены силовые вводы.
Этот вариант осуществления, например в случае силовых трансформаторов, обладает большей охлаждающей способностью и, следовательно, позволяет использовать провода меньшего сечения для отвода потерь энергии, сравнимых с потерями при использовании реакторов с воздушным охлаждением.
Известные реакторы могут также классифицироваться в зависимости от магнитопровода, через который проходит магнитный поток, на воздушные и железные.
В реакторах с железным магнитопроводом в некоторых вариантах осуществления предусмотрена воздушная изоляция, а в некоторых - масляная, и магнитный поток проходит по магнитопроводу с воздушными промежутками, а энергия магнитного поля практически полностью находится в воздушных промежутках.
Преимуществом реакторов с магнитопроводом с воздушными промежутками являются очень маленькие размеры и почти полное отсутствие рассеяния потока.
Однако недавно для удовлетворения спроса в некоторых областях применения на рынке появились силовые трансформаторы с так называемой фиксированной или регулируемой обмоткой или катушкой.
Коротко это можно описать следующим образом: мощный реактор с фиксированной катушкой имеет постоянное реактивное сопротивление в каждом цоколе, но изменяющееся от цоколя к цоколю.
С другой стороны, мощный реактор с регулируемой катушкой имеет непрерывно меняющееся реактивное сопротивление в том же цоколе благодаря модификации геометрической конфигурации или типа магнитной цепи.
Изобретение относится к реакторам с масляной изоляцией и фиксированной катушкой.
Из-за высоких значений электрического тока и магнитного потока такие реакторы всегда имеют магнитный экранирующий сердечник, расположенный между металлическим корпусом и катушкой.
Задачей такой конструкции является обеспечение управления работой реактора, предотвращение потерь и перегрева, вызывающих пробой или повреждение корпуса, вследствие воздействия паразитных токов.
Более того, наличие экранирующего сердечника делает возможным на этапе проектирования оценить дополнительные потери, не связанные непосредственно с сопротивлением катушки, а также конфигурацией магнитного потока, способствующее точному расчету индуктивности самой катушки.
В некоторых случаях экранирующий сердечник состоит из множества магнитных пластин, через которые протекает магнитный поток, избегая соприкосновения с корпусом, в то время как в других случаях экранирующий сердечник состоит из медных или алюминиевых цилиндров, которые под воздействием индуцированных токов блокируют прохождение магнитного потока.
Мощные реакторы с экранирующим сердечником, известные также как реакторы с окном, постепенно заменяют реакторы с воздушным промежутком, которые не оказались рентабельными.
Тем не менее, реакторы с окном также не лишены недостатков.
Первый недостаток заключается в том, что экранирующий сердечник, обычно состоящий из пластин, имеет нелинейные характеристики индукции, обусловленные магнитным потоком, изменяющиеся от точки к точке.
Фактически при увеличении магнитной индукции пластины не могут сохранять линейные характеристики из-за насыщения, которое легко может быть достигнуто в некоторых особых точках.
Следовательно, в том случае, если поток магнитной индукции в сердечнике возрастает на достаточно большую величину, например, при повреждении реактора, пластина в определенных точках теряет экранирующие свойства.
Это приводит к потере емкости, ограничивающей величину индуктивного сопротивления или тока, и, следовательно, к снижению коэффициента полезного действия реактора.
Второй недостаток заключается в дополнительных потерях, возникающих в металле экранирующего сердечника.
Еще одним недостатком является, как говорят, наличие операционной памяти: иногда из-за индуктивности катушки имеется остаточная намагниченность, которая всегда вредна, нежелательна, зависит от предыдущих условий работы и является следствием использования экранированного сердечника.
Следующий недостаток объясняется тем, что наличие экранирующего сердечника существенно увеличивает вес реактора.
Последний, но не наименьший недостаток мощных реакторов с масляной изоляцией и фиксированным сердечником, состоит в большой стоимости из-за сложности изготовления и стоимости экранирующих сердечников.
Вероятно, в случае изготовления вышеупомянутых пластин из сплава стали с кремнием, стоимость экранирующих сердечников будет составлять существенную часть всех затрат, а именно приблизительно треть стоимости реактора.
В частности, основной целью изобретения является создание мощного реактора для передачи энергии с более высоким коэффициентом полезного действия, чем известные эквивалентные реакторы, даже при работе в критических условиях.
Для достижения этой цели необходимо решить задачу снижения реактивных потерь по сравнению с существующими прототипами.
Другой задачей изобретения является ограничение дополнительных потерь внутри реактора по сравнению с существующими прототипами.
Задачей изобретения является также уменьшение величины остаточной намагниченности обмотки реактора по сравнению с известным уровнем техники, для обеспечения большей степени свободы режима работы от предыдущей эксплуатации.
Другими словами, желательно предложить мощный реактор, в котором исключены или существенно уменьшены недостатки прототипов, вызванные применением магнитных экранированных сердечников.
Другой целью изобретения является создание мощного реактора с меньшим весом, чем у подобных известных реакторов.
Последней, но не наименее важной целью изобретения является создание мощного реактора с меньшей стоимостью изготовления и коммерческих затрат, чем у подобных известных реакторов.
Перечисленные задачи в данной разработке мощного реактора для передачи энергии выполнены согласно пункту 1 формулы изобретения, на который мы для краткости даем здесь ссылку.
Другие подробные характеристики мощного реактора данного изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
Мощный реактор согласно изобретению преимущественно не имеет экранирующего сердечника, присутствующего в подобных известных реакторах, по сравнению с которыми этот реактор существенно легче при сохранении других характеристик.
Следствием этого является упрощение доставки и установки по сравнению с существующими реакторами.
Разработанный мощный реактор имеет менее сложную конструкцию, чем прототипы, и вследствие этого исключена особенно значительная статья расходов, в особенности в том случае, если экранирующим сердечником являются пластины.
В целом эти факторы свидетельствуют о снижении затрат на производство и продажу по сравнению с прототипами.
Все вышеперечисленное было достигнуто не за счет мощности разработанных мощных реакторов, физические характеристики профилированных корпусов остались неизменными, не допускающими перегрева.
И это несмотря на тот факт, что в разработанных реакторах из-за отсутствия экранирования сердечников профилированные корпуса непосредственно взаимодействуют с обмоткой, что приводит к возникновению потока магнитной индукции.
Еще одним преимуществом является то, что разработанные мощные реакторы достигают более высокого коэффициента полезного действия по сравнению с эквивалентными известными реакторами.
Действительно, исключение в разработанном реакторе экранирующего сердечника ведет к уменьшению или полному исчезновению описанных ранее недостатков, обусловленных самим сердечником.
Преимуществом является также то, что по сравнению с имеющимися реакторами, в разработанном реакторе снижается риск пробоя.
Из дальнейшего описания станут понятнее дополнительные особенности и характеристики, касающиеся предпочтительного варианта осуществления, описывающие, но не ограниченные данными, приведенными в прилагаемых таблицах и чертежах, где:
на фигуре 1 представлен вид сбоку разработанного мощного реактора;
на фигуре 2 дан вид сверху фигуры 1;
на фигуре 3 дан упрощенный вид продольного сечения изделия на фигуре 1;
на фигуре 4 дан детальный вид сверху фигуры 3.
Мощный реактор для передачи и распределения энергии, включенный, например, предпочтительно в линию электропередачи, представлен на фигуре 1 и обозначен в общем цифрой 1.
Как видно из рисунков, мощный реактор 1 включает профилированный корпус 2, помещенный на опорную конструкцию, и обмотку 3, видимую на фигуре 3, которую можно подсоединять к питающей электросети, и находящуюся внутри профилированного корпуса 2, с которым связана через опорную конструкцию, обозначенную цифрой 4, типа, известного специалистам.
Более точно, но не исключительно, мощный реактор 1 можно отнести к типу реакторов с фиксированной обмоткой.
В соответствии с изобретением профилированный корпус 2 и обмотка 3 расположены друг от друга на расстоянии первого зазора D, обозначенном на фигуре 3, минимальная величина которого определяется тем, чтобы была возможность отвода энергетических потерь, создаваемых паразитными токами в обмотке 3 при прохождении магнитного потока и усиленных профилированным корпусом 2.
В соответствии с изобретением первый зазор D до профилированного корпуса может считаться от одного из концов 3a, 3b обмотки 3, которую пересекают линии магнитной индукции магнитного поля, связанного с обмоткой 3.
В рассматриваемом случае вышеупомянутый зазор D рассчитывается между крышкой 5, находящейся в неподвижном состоянии сверху профилированного корпуса 2, и концом 3a обмотки 3.
Когда реактор установлен и готов к эксплуатации, такой конец 3а обычно расположен в верхней области 2b профилированного корпуса 2.
В соответствии с известной специалистам конструктивной схемой, крышка 5 снабжена среди прочего изолирующими элементами 6 и мощными вводами 7 для подсоединения к электросети, показанными на фигуре 2.
Более того, как видно из фигур 1 и 3, крышка 5 имеет крюки 9, 10 для подъема реактора 1.
Профилированный корпус 2 имеет преимущественно форму параллелепипеда с квадратным основанием, и его боковая стенка 2а обозначена на виде сверху одинаковыми четырьмя частями 21a, 22а, 23а и 24а.
Предпочтительно, но не является необходимым, чтобы каждая часть 21a, 22а, 23а, 24а боковой стенки 2 имела снаружи продольные ребра 8 для обеспечения отвода тепла.
Понятно, что в других конструктивных вариантах изобретения может быть меньшее количество деталей боковой стенки профилированного корпуса с продольными ребрами.
Могут быть также другие, не изображенные варианты осуществления изобретения, где профилированный корпус имеет иную конфигурацию, чем на чертеже.
Также в этом случае продольные ребра могут быть расположены как на всей боковой стенке, так и на одной или нескольких ее частях.
Предпочтительно, но не обязательно, чтобы обмотка 3 была погружена в изоляционное масло, содержащееся в профилированном корпусе 2.
На фигуре 3 и 4 показано, что в соответствии с общепринятой конструкцией мощных реакторов обмотка 3 соединена с арматурой 11, сделанной обычно, но необязательно, из дерева, а концы обмоток 3а и 3b обеспечены изоляторами, обозначенными цифрой 12.
Из серии тестовых испытаний, проведенных заявителями настоящего изобретения, выявлено, что заданное минимальное значение первого зазора D, при несоблюдении которого происходит разрушение профилированного корпуса 2 вследствие потерь энергии, обусловленных возникновением магнитной индукции под воздействием обмотки, зависит от нескольких факторов, таких как:
- индуктивность обмотки 3;
- электрический ток в обмотке 3;
- соотношение между высотой и диаметром, а следовательно, геометрия обмотки 3.
Другими параметрами, которые необходимо принимать во внимание при определении минимального значения первого зазора, являются:
- металл, использующийся для профилированного корпуса 2;
- толщина профилированного корпуса 2;
- реактивное сопротивление обмотки 3;
- конфигурация магнитного поля, создаваемого обмоткой 3;
- полное сопротивление профилированного корпуса 2, рассчитанное при наличии магнитного потока в корпусе 2.
После различных тестов и сложных расчетов автор данного изобретения пришел к выводу, что заданное минимальное значение первого зазора D должно составлять по существу 50 мм.
Например, испытания мощных реакторов с большой обмоткой 3 показали, что энергетические потери в корпусе 2, обусловленные паразитными токами, сгенерированными магнитным потоком в обмотке 3, могут быть отведены на открытом воздухе при величине первого зазора D, равной 200 мм.
В частности, энергетические потери уменьшаются по экспоненциальной зависимости с увеличением заданного минимального значения первого зазора D.
2
При величине первого зазора 200 мм энергетические потери составляют 600 Вт/м.
Например, при величине первого зазора 350 мм энергетическими потерями можно практически пренебречь, независимо от используемого материала профилированного корпуса 2.
Следовательно, мощный реактор 1 данного изобретения достигает эффективной работы без магнитного экранированного сердечника между профилированным корпусом 2 и обмоткой 3, как в существующих реакторах.
Действительно, первый зазор D между профилированным корпусом 2 и обмоткой 3 выбирается таким, чтобы предотвратить перегрев или даже приведение в непригодное состояние профилированного корпуса 2 из-за паразитных токов, сгенерированных магнитным потоком.
В этом заключается основная идея данного изобретения, результаты которого не только важны, но и позволяют улучшить характеристики реактора по сравнению с существующими и, следуя по пути технического развития, отказаться от начальных установок разработчиков в данной области, вызванных опасениями снижения эффективности реактора.
Действительно, в области технологий, к которым относится данное изобретение, исключение экранирующего сердечника между профилированным корпусом и обмоткой считается очень рискованным и не рекомендуемым выбором из-за неспособности предотвращения негативных эффектов воздействия потока магнитной индукции на профилированный корпус.
На фигуре 3 показано, что основание 2с профилированного корпуса 2 и конец 3b обмотки 3 расположены на расстоянии первого зазора D', которое в данном примере для чистоты эксперимента отлично от первого зазора D между крышкой 5 и концом 3а обмотки 3.
Кроме того, профилированный корпус 2 и обмотка 3 расположены друг от друга на расстоянии второго зазора d, перпендикулярном первому зазору D, которое рассчитывается от боковой поверхности 3с обмотки 3 до боковой стенки 2а профилированного корпуса 2.
Подобно первому зазору D, заданное минимальное значение второго зазора d зависит от электрического тока, индуктивности и/или геометрии обмотки 3.
Следует заметить, что обмотка 3 расположена в центре внутри профилированного корпуса 2, поэтому второй зазор d между боковой поверхностью 3с и боковой стенкой 2а одинаков вдоль всей окружности обмотки 3.
Второй зазор d имеет такое заданное минимальное значение, чтобы уменьшить электрические потери по сравнению с потерями, допустимыми в предыдущих разработках.
Заданная минимальная величина второго зазора d не больше, чем величина первого зазора D, а точнее меньше, поскольку известно, что условия магнитного потока в двух направлениях отличаются друг от друга.
В частности, заданное значение второго зазора d уменьшается на 1/5 значения первого зазора D.
Что касается профилированного корпуса 2, то он изготовлен из металла в соответствии с известными вариантами осуществления изобретения.
r
В предпочтительном варианте осуществления изобретения металлический корпус немагнитный и имеет относительную магнитную проницаемость µ менее чем 1,3 Гн/м (Генри/метр).
Более того, удельное сопротивление металла ρ менее 40 мкОм×м (микроом × метр).
Например, металлическим материалом, обладающим упомянутыми техническими характеристиками, является нержавеющая сталь.
Использование профилированного корпуса 2 из немагнитного металла делает возможным усилить положительный эффект обеспечением подходящего значения первого зазора D между корпусом 2 и обмоткой 3.
В профилированном корпусе 2 из немагнитного металла толщина проникновения магнитного потока, зависящая от первого зазора D, составляет несколько сантиметров при рабочих частотах.
Кроме того, с увеличением частоты уменьшается толщина проникновения.
Эта характеристика отличается от характеристики обычных металлических корпусов, имеющих высокую относительную магнитную проницаемость. Работа мощного реактора 1 происходит по классической схеме, предусмотренной для разработанных ранее реакторов, так как модификации в данном изобретении относятся к конструкции и не изменяют обычного принципа действия.
Однако эти модификации позволяют мощному реактору данного изобретения иметь усовершенствованные важные, соответствующие решению актуальных проблем настоящего времени характеристики:
снижение веса;
ограничение сложности конструкции благодаря исключению компонентов, имеющихся ранее;
снижение затрат на конструирование, изготовление и приобретение материалов;
линейность характеристик материалов профилированного корпуса для любого значения напряжения;
увеличение коэффициента полезного действия благодаря исключению экранирования сердечника, что означает:
- уменьшение потерь реактивного сопротивления;
- уменьшение дополнительных потерь, вызванных индуцированными токами;
- существенное ограничение остаточной намагниченности, что делает любой момент работы разработанного реактора практически независимым от прежних условий работы.
Действительно, как отмечено выше, должно быть понятно, что разработанный мощный реактор для передачи энергии соответствует целям, поставленным перед изобретателями, и имеет описанные выше преимущества.
При осуществлении изобретения могут быть сделаны модификации мощного реактора, например опора обмотки может отличаться от приведенной на чертежах.
Кроме того, в других вариантах осуществления данного изобретения расстояние между основанием профилированного корпуса и нижним концом обмотки может быть равным первому зазору между верхней частью корпуса или крышкой и верхним концом обмотки.
Ясно, что могут быть различные другие варианты мощных реакторов, и, исходя из этого, здесь уделено внимание новизне принципов, присущих данному изобретению, а материалы, формы и размеры описанных элементов в практических вариантах осуществления изобретения могу быть при необходимости заменены другими, технически эквивалентными.