СГЛАЖИВАЮЩИЙ РЕАКТОР ФИЛЬТР-УСТРОЙСТВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ТЯГОВОЙ ПОДСТАНЦИИ
SMOOTHING REACTOR OF FILTER-DEVICE OF RAIL-POWER TYPE SUBSTATION

Изобретение относится к электротехнике, а именно к сглаживающим реакторам систем тягового электроснабжения, и может быть использовано на действующих и вновь проектируемых участках железнодорожного и промышленного транспорта, а также метрополитенов.
В настоящее время на тяговых подстанциях сети электрифицированных железных дорог постоянного тока используются сглаживающие реакторы типа РБФА-У. Они устанавливаются в цепи возврата тягового тока для его сглаживания и выполнены в качестве отдельных блоков - катушек индуктивности, витки которых вмонтированы в поддерживающие опорные бетонные конструкции [1, 2]. Реакторы типа РБФА-У являются наиболее близким аналогом заявленного изобретения.
В известном реакторе ввиду отсутствия ферромагнитных материалов величина индуктивности как отдельно взятого блока, так и совокупности блоков определяется геометрическими размерами обмотки и числом витков, а номинальный ток - сечением токоведущих частей. Оптимальный выбор геометрических размеров обмотки и сечения ее токоведущих частей приводят к тому, что существующие реакторы фильтр-устройств тяговых подстанций постоянного тока характеризуются наибольшим сравнительным уровнем потерь энергии, реализуемой на тягу поездов.
Открытое исполнение обмоток существующего реактора позволяет эффективно снимать тепловыделение в окружающую среду от потерь на их внутреннем сопротивлении, но при этом ухудшает электромагнитную обстановку. По условиям электромагнитной совместимости существующие реакторы располагают в отдельных помещениях на удалении от контрольно-измерительной аппаратуры и устройств автоматики и защиты.
Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков аналогов.
Технический результат заявленного изобретения заключается в снижении величины рассеянного магнитного поля, уменьшении габаритов и массы реактора, а также снижении потерь энергии.
Указанный технический результат достигается в заявленном изобретении за счет того, что сглаживающий реактор фильтр-устройства тяговой подстанции содержит по меньшей мере один блок, включающий катушку индуктивности, размещенную в немагнитной среде, а также замкнутую радиально-цилиндрическую магнитную систему из ферромагнитного материала, включающую по меньшей мере один установленный коаксиально в центре катушки стержень, секционированный немагнитными зазорами, и ярмовую часть, имеющую цилиндрическую обечайку, установленную коаксиально вокруг упомянутой катушки, и торцевые элементы, при этом в местах соединения цилиндрической обечайки и торцевых элементов выполнены немагнитные зазоры.
Кроме того, указанный результат достигается в частных вариантах выполнения устройства за счет того, что:
- реактор дополнительно содержит диэлектрические дистанеры, установленные с возможностью поддержания и фиксации витков катушки;
- упомянутая катушка выполнена из голого алюминиевого или медного провода;
- немагнитная среда, в которой размещена упомянутая катушка, заполняет внутренний объем радиально-цилиндрической магнитной системы между ярмовой частью и стержнем и представляет собой диэлектрический материал, обеспечивающий исключение гальванической связи витков катушки между собой и с радиально-цилиндрической магнитной системой;
- диэлектрическим материалом немагнитной среды является атмосферный воздух при нормальном давлении, или инертный газ под избыточным давлением, или полимерный материал.
В отличие от ближайшего аналога в заявленном реакторе фильтр-устройства применяется радиально-цилиндрическая магнитная система с полностью замкнутым магнитным потоком, которая препятствует рассеянию магнитного поля.
Кроме того, использование ферромагнитных материалов, из которых выполнены стержень и ярмовая часть магнитной системы реактора, обеспечивает заданную величину индуктивности при меньшем числе ампер-витков. Меньшее число ампер-витков позволяет значительно снизить потери электрической энергии на внутреннем сопротивлении нового реактора, сократить объем используемых материалов и придать ему новые качества по электромагнитной совместимости при прочих равных условиях. При этом все ферромагнитные материалы имеют свойство насыщаться с увеличением величины магнитного потока, создаваемого в них. В целях предотвращения насыщения магнитной системы реактора она секционирована зазорами, заполненными немагнитным материалом, которые представляют собой магнитные сопротивления, ограничивающие величину магнитного потока, потому как имеют несоизмеримо более низкую величину относительной магнитной проницаемости. Также за счет указанного секционирования достигается линейность величины индуктивности при изменении токовой нагрузки от нуля до номинальных значений (в диапазоне изменения рабочих токов).
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором показана схема заявленного устройства.
Заявленный реактор включает по меньшей мере один блок, содержащий катушку индуктивности (1) с обмоткой, расположенной в немагнитной среде (2) с высокой электрической прочностью. Катушка ориентирована вертикально и опирается на поддерживающие диэлектрические конструкции (не показаны). Катушка может быть выполнена, например, из голого алюминиевого или медного провода. Витки катушки (1) во избежание их гальванического контакта между собой и конструктивными элементами магнитной системы (4) могут фиксироваться деталями из диэлектрика - реечными дистанерами (3). Немагнитная среда (2) может представлять собой атмосферный воздух при нормальном давлении, инертный газ под избыточным давлением, полимерный материал или любой другой подходящий материал.
Вокруг катушки расположена замкнутая радиально-цилиндрическая магнитная система (4) из ферромагнитного материала. Магнитная система (4) включает стержень (5) из ферромагнитного материала, размещенный коаксиально в центре катушки (1), и ярмовую часть, радиально замыкающую магнитный поток. Стержень (5) выполнен секционированным и содержит ферромагнитные элементы (6) в форме цилиндров малой высоты (таблеток), чередующиеся немагнитными зазорами (7) (элементами из немагнитного материала).
Ярмовая часть радиально-цилиндрической магнитной системы содержит цилиндрическую обечайку (8), расположенную коаксиально вокруг катушки (1), а также дискообразные торцевые элементы (9), закрывающие торцы катушки (1).
В месте перехода (соединения) обечайки (8) и торцевых элементов (9) ярмовой части магнитной системы (4) также выполнены немагнитные зазоры (7), обеспечивающие секционирование ярмовой части магнитной системы (4). Немагнитные зазоры (7) могут быть выполнены дополнительно уплотняемыми при герметичном исполнении магнитной системы или воздушными для естественного охлаждения обмотки.
Работа заявленного реактора осуществляется следующим образом.
После включения катушки в цепь возврата тягового тока осуществляется сглаживание тягового тока. При этом магнитный поток, создаваемый витками катушки (1) при протекании по ней тягового тока, затягивается в радиально-цилиндрическую магнитную систему (4) из ферромагнитного материала, имеющую несоизмеримо больший коэффициент магнитной проницаемости по сравнению с немагнитной средой (2), в результате чего возрастает потокосцепление обмотки, величине которого пропорциональна индуктивность реактора. В результате, необходимая величина индуктивности достигается меньшим числом ампер-витков, что обеспечивает снижение внутреннего сопротивления реактора и потерь энергии в нем с одновременным многократным снижением величины рассеянного магнитного поля.
Потери на гистерезис и вихревые токи в магнитной системе реактора будут пренебрежимо малы ввиду отсутствия знакопеременной токовой нагрузки.
Источники информации
1. А.А. Прохорский. Тяговые и трансформаторные подстанции. М.: Транспорт, 1983 г., 496 с. (прототип).
2. ГОСТ 32676-2014 «Реакторы для тяговых подстанций железной дороги сглаживающие. Общие технические условия».