ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА ПОВРЕЖДЕНИЯ
FAILURE CURRENT LIMITER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к ограничителю тока повреждения (ОТП).
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Повреждений в электроэнергетических системах избежать нельзя. Токи повреждений, текущие от источников к месту нахождения повреждения ведут к высоким динамическим и термическим напряжениям, прикладываемым к оборудованию, например, воздушным линиям, кабелям, трансформаторам и распределительным устройствам.
Обычная технология автоматических выключателей не обеспечивает полное решение для избирательного прерывания токов, связанных с такими повреждениями. Рост генерирования и потребления электрической энергии и интенсифицированная взаимосвязь между сетями приводит к увеличению уровней тока повреждения. В частности, непрерывный рост генерирования электрической энергии имеет следствие, заключающееся в том, что сети достигают пределов своей способности выдерживать короткое замыкание или даже превышают их. Поэтому существует потребность в устройствах, которые способны ограничивать токи повреждений.
Токи коротких замыканий растут при расширении передающих и распределительных сетей в связи с нарастающим спросом на энергию и нарастающей связностью источников энергоснабжения и непостоянных источников энергии. Эти токи могут привести к нарушениям энергоснабжения, повреждению и значительным простоям оборудования, издержки на которые по оценкам составляют миллиарды долларов в год. Чтобы ограничить влияние тока повреждения, операторы энергосистем общего пользования традиционно нуждались в обращении к сегментации сетей и установке дорогостоящих и диссипативных устройств защиты, таких, как реакторы последовательного включения, конденсаторы, быстродействующие автоматические выключатели и трансформаторы с большим полным сопротивлением. Такие решения воплощаются за счет общего снижения энергетического кпд и устойчивости сетей.
Использование ограничителей токов повреждения (ОТП) позволяет оставлять оборудование в обслуживании даже если предполагаемый ток повреждения превышает его номинальный пиковый и кратковременный допустимый ток. Таким образом, можно избежать замены оборудования (в которое входят автоматические выключатели) или перенести ее на более поздний срок.
Ограничитель тока повреждения (ОТП) может быть выполнен в различных формах. Ограничитель тока повреждения одного типа предусматривает полностью намагниченный (насыщенный) стальной сердечник. Такие ограничители токов повреждения в типичном случае имеют одну или несколько катушек переменного тока, намотанных вокруг стального сердечника, причем стальной сердечник поддерживается в насыщенном состоянии катушкой подмагничивания постоянным током в нормальных рабочих условиях. Катушки переменного тока соединены с сетью, и в нормальных рабочих условиях катушка поддерживается насыщенной, делая ОТП, виртуально прозрачным для сети во время нормальной работы.
В условиях повреждения (например, короткого замыкания), бросок тока увеличит ток в катушке переменного тока, вызывая выход стального сердечника из насыщения. В результате этого выхода стального сердечника из насыщения, полное сопротивление будет расти, действуя так, что происходит ограничение тока в катушке переменного тока. Возможны различные компоновки насыщаемого сердечника и катушек переменного тока и постоянного тока. Пример известного ОТП с насыщаемым сердечником описан в WO 2007/029224.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении предпринимается попытка разработать ОТП с улучшенной рабочей характеристикой по сравнению с обычными компоновками.
В соответствии с первым аспектом изобретения, предложен ограничитель тока повреждения, содержащий первый магнитно насыщаемый сердечник, причем этот первый сердечник включает в себя: первый стержень; второй стержень с первой катушкой переменного тока, намотанной на втором стержне; третий стержень со второй катушкой переменного тока, намотанной вокруг третьего стержня, причем первая и вторая катушки переменного тока намотаны последовательно и соединены с источником переменного тока первой фазы; четвертый стержень; причем первый, второй, третий и четвертый стержни расположены в порядке, в котором первые концы первого, второго, третьего и четвертого стержней соединены первым ярмом, а вторые концы первого, второго, третьего и четвертого стержней соединены вторым ярмом; первый блок подмагничивания, выполненный с возможностью создания первой замкнутой магнитной цепи в первом стержне и втором стержне, имеющей первое направление магнитного потока; и второй блок подмагничивания, выполненный с возможностью создания второй замкнутой магнитной цепи в третьем стержне и четвертом стержне, имеющей второе направление магнитного потока, причем первое направление магнитного потока противоположно второму направлению магнитного потока; при этом первая и вторая катушки переменного тока выполнены с возможностью создания первой замкнутой магнитной цепи переменного тока во втором и третьем стержнях в направлении магнитного потока переменного тока, которое изменяется через каждый полупериод переменного тока.
Первый блок подмагничивания может содержать первую катушку постоянного тока, намотанную на первом стержне, а второй блок подмагничивания может содержать вторую катушку постоянного тока, намотанную на четвертом стержне. При такой компоновке, в одном полупериоде переменного тока магнитный поток переменного тока во втором стержне противодействует магнитному потоку постоянного тока во втором стержне и магнитный поток переменного тока в третьем стержне содействует магнитному потоку постоянного тока в третьем стержне, а в следующем полупериоде магнитный поток переменного тока в третьем стержне противодействует магнитному потоку постоянного тока в третьем стержне и магнитный поток переменного тока во втором стержне содействует магнитному потоку постоянного тока во втором стержне. Однако в других вариантах осуществления можно использовать альтернативные компоновки для первого и второго блоков подмагничивания с тем же эффектом противодействия и содействия магнитному потоку переменного тока в первой и второй замкнутых магнитных цепях, оказываемым первым и вторым блоками подмагничивания.
В нормальных условиях, второй и третий стержни первого сердечника насыщены, и поэтому полное сопротивление ОТП является малым. Следовательно, в нормальных условиях магнитный поток переменного тока во втором и третьем стержнях таков, что второй и третий стержни поддерживают глубокое насыщение.
В условиях повреждения, переменный ток будет расти, так что в одном полупериоде магнитный поток переменного тока будет таким, что второй стержень выводится из насыщения, а третий стержень вводится глубже в насыщение. Эффект второго стержня, выводимого из насыщения, заключается в росте полного сопротивления, а это действует, ограничивая повреждение. В следующем полупериоде, магнитный поток переменного тока будет таким, что третий стержень выводится из насыщения, а второй стержень вводится глубже в насыщение, что опять действует, ограничивая повреждение.
Такие варианты осуществления связаны с отношением полных сопротивлений в состоянии повреждения и нормальном состоянии, увеличенным в результате замкнутой магнитной цепи переменного тока. Это гарантирует, что увеличение полного сопротивления при переходе из нормального состояния в состояние короткого замыкания управляется лишь насыщением сердечника, а не комбинированным путем магнитного потока «сердечник - воздух», как в некоторых обычных компоновках. Это обеспечивает управляемое увеличение полного сопротивления в состоянии короткого замыкания, а больших отношений полных сопротивлений (как правило, значительно больше 5) можно достичь без большого увеличения ампер-витков переменного тока.
Иными словами, наличие замкнутой магнитной цепи переменного тока выгодно с точки зрения достижения меньшего магнитного сопротивления при большем полном сопротивлении, чем для обычных конструкций (в которых используется, например, комбинированная магнитная цепь «сердечник - воздух» в конструкции переменного тока с разомкнутым контуром). Помимо этого, наличие замкнутого пути магнитного потока для магнитных цепей постоянного тока тоже выгодно, так как это уменьшает ампер-витки постоянного тока и уменьшает магнитный поток постоянного тока снаружи ОТП.
Первый, второй, третий и четвертый стержни сердечника могут быть ориентированы в одном и том же направлении. Например, первый, второй, третий и четвертый стержни могут быть расположены вертикально. Расположение стержней вертикально имеет преимущество, заключающееся в том, что с точки зрения перспективы изготовления сборка сердечника и катушек оказывается проще по сравнению с обычными ОТП, где используются катушки, намотанные вокруг горизонтальных стержней. Например, горизонтально уложенные катушки постоянного тока в обычных ОТП должны поддерживаться в воздухе, а пластины сердечника следует пропускать через катушки по несколько пластин за раз. Это медленно и относительно небезопасно при изготовлении.
Кроме того, в ОТП с горизонтальными катушками, который расположен в баке, движение масла внутри горизонтальных каналов в катушках постоянного тока обуславливает недостаточное гидравлическое течение, создавая температуры «горячих пятен» в катушках постоянного тока. Этой проблемы избегают с помощью вертикальных стержней, потому что горячее масло (которое легче) поднимается к верху обмотки, создавая эффект термосифона благодаря силе тяжести. Этот напор масла движет масло мимо обмоток, уменьшая температуру проводников. Иными словами, использование вертикально ориентированных обмоток обеспечивает естественный эффект термосифона и больший тепловой напор для магнитного потока масла через обмотки. Предотвращается застой масла в горизонтально ориентированной обмотке обычных компоновок, уменьшается температура обмоток, а «горячие пятна» минимизируются.
Первое и второе ярма могут быть ориентированы в одном и том же направлении. Например, первое и второе ярма расположены горизонтально.
ОТП может дополнительно содержать третью катушку переменного тока, намотанную вокруг второго стержня, и четвертую катушку переменного тока, намотанную вокруг третьего стержня, причем третья и четвертая катушки переменного тока намотаны последовательно и соединены с источником переменного тока второй фазы. Третья и четвертая катушки переменного тока могут быть выполнены с возможностью создания второй замкнутой магнитной цепи переменного тока во втором и третьем стержнях в направлении магнитного потока переменного тока, которое изменяется через каждый полупериод переменного тока. Помимо этого, ОТП может дополнительно содержать пятую катушку переменного тока, намотанную вокруг второго стержня, и шестую катушку переменного тока, намотанную вокруг третьего стержня, причем пятая и шестая катушки переменного тока намотаны последовательно и соединены с источником переменного тока третьей фазы, при этом пятая и шестая катушки переменного тока выполнены с возможностью создания третьей замкнутой магнитной цепи во втором и третьем стержнях в направлении магнитного потока переменного тока, которое изменяется через каждый полупериод переменного тока.
При таких компоновках, ОТП может быть предназначен для источника трехфазного переменного тока, причем каждая фаза переменного тока соединена с парой последовательно соединенных катушек переменного тока. Первая, третья и пятая катушки переменного тока могут быть расположены в этом порядке на втором стержне, а вторая, четвертая и шестая катушки переменного тока могут быть расположены в противоположном порядке на третьем стержне. В некоторых вариантах осуществления, катушки переменного тока для источника переменного тока каждой фазы могут быть попарно конфигурированы так, что, по меньшей мере, одна из пар катушек переменного тока демонстрирует несбалансированное магнитное полное сопротивление относительно остальных пар катушек переменного тока для каждой фазы. В некоторых вариантах осуществления, катушки переменного тока каждой фазы могут быть намотаны с разными количествами витков для достижения асимметричного магнитного полного сопротивления. В других вариантах осуществления, катушки переменного тока каждой фазы могут находиться на разных участках внутренних стержней для достижения асимметричного магнитного полного сопротивления. Помимо этого, катушки переменного тока каждой фазы могут иметь разные геометрии катушек для достижения асимметричного магнитного полного сопротивления.
В некоторых вариантах осуществления, второй и третий стержни могут иметь меньшее поперечное сечение, чем первый и четвертый стержни.
В некоторых вариантах осуществления, ОТП может дополнительно содержать бак, предназначенный для заключения в нем первого стержня, причем бак частично или полностью заполнен диэлектрической текучей средой.
В некоторых вариантах осуществления малых ОТП можно использовать изоляцию сухого типа, а бак или кожух могут не содержать диэлектрическую текучую среду.
В некоторых вариантах осуществления, ОТП может дополнительно содержать второй магнитно насыщаемый сердечник и третий магнитно насыщаемый сердечник, причем второй и третий сердечники соответственно включают в себя: первый стержень; второй стержень с первой катушкой переменного тока, намотанной на втором стержне; третий стержень со второй катушкой переменного тока, намотанной вокруг третьего стержня, причем первая и вторая катушки переменного тока намотаны последовательно; четвертый стержень; причем первый, второй, третий и четвертый стержни расположены в порядке, в котором первые концы первого, второго, третьего и четвертого стержней соединены первым ярмом, а вторые концы первого, второго, третьего и четвертого стержней соединены вторым ярмом; первый блок подмагничивания, выполненный с возможностью создания первой замкнутой магнитной цепи в первом стержне и втором стержне, имеющей первое направление магнитного потока; и второй блок подмагничивания, выполненный с возможностью создания второй замкнутой магнитной цепи в третьем стержне и четвертом стержне, имеющей второе направление магнитного потока, причем первое направление магнитного потока противоположно второму направлению магнитного потока; при этом первая и вторая катушки переменного тока выполнены с возможностью создания первой замкнутой магнитной цепи переменного тока во втором и третьем стержнях в направлении магнитного потока переменного тока, которое изменяется через каждый полупериод переменного тока. В таких компоновках, первая и вторая катушки переменного тока второго стержня могут быть соединены с источником переменного тока второй фазы, а первая и вторая катушки переменного тока третьего стержня могут быть соединены с источником переменного тока третьей фазы. Поэтому такие компоновки могут обеспечить трехфазный ОТП с одним сердечником, имеющим четыре стержня, для каждой из трех фаз.
Второй и третий стержни второго и третьего сердечников могут иметь меньшее поперечное сечение, чем первый и четвертый стержни второго и третьего сердечников.
Первый, второй и третий стержни могут быть расположены в одном и том же баке, причем упомянутый бак частично или полностью заполнен диэлектрической текучей средой.
Первый блок подмагничивания второго и третьего сердечников может соответственно содержать первую катушку постоянного тока, намотанную на соответствующем первом стержне, а второй блок подмагничивания второго и третьего сердечников соответственно содержит вторую катушку постоянного тока, намотанную на соответствующем четвертом стержне.
В некоторых вариантах осуществления, вокруг первого, второго и третьего сердечников может быть намотана первая общая катушка постоянного тока для обеспечения первых блоков подмагничивания первого, второго и третьего сердечников, а вокруг вторых стержней первого, второго и третьего сердечников может быть намотана вторая общая катушка постоянного тока для обеспечения вторых блоков подмагничивания первого, второго и третьего сердечников.
В некоторых вариантах осуществления, где применяются три сердечника, состоящие из четырех стержней, первый, второй и третий сердечники могут быть разделены. Первый, второй и третий сердечники могут быть расположены вертикально или горизонтально в одном и том же баке. В альтернативном варианте, первый, второй и третий сердечники расположены в отдельных баках. Бак (баки) можно частично или полностью заполнить диэлектрической текучей средой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Теперь, в качестве примера и со ссылками на прилагаемые чертежи, будут описаны варианты осуществления изобретения, при этом:
на фиг. 1a и 1b показан ОТП, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
на фиг. 2 показано схематическое изображение магнитных цепей, создаваемых в ОТП, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
на фиг. 3 представлен график переменного тока как функции времени для первого варианта осуществления изобретения;
на фиг. 4a показана модель магнитной индукции (B), а на фиг. 4b показана модель напряженности (H) магнитного поля, выраженной в ампер-витках на метр, для исходного состояния, согласно первому варианту осуществления изобретения;
на фиг. 5a показана модель магнитной индукции (B), а на фиг. 5b показана модель напряженности (H) магнитного поля, выраженной в ампер-витках на метр, для нормальных рабочих условий, согласно первому варианту осуществления изобретения;
на фиг. 6a показана модель магнитной индукции (B), а на фиг. 6b показана модель напряженности (H) магнитного поля, выраженной в ампер-витках на метр, для условий повреждения, согласно первому варианту осуществления изобретения;
на фиг. 7a и 7b показан ОТП, в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;
на фиг. 8 представлен график переменного тока как функции времени для второго варианта осуществления изобретения;
на фиг. 9a показана модель магнитной индукции (B), а на фиг. 9b показана модель напряженности (H) магнитного поля, выраженной в ампер-витках на метр, для исходного состояния, согласно второму варианту осуществления изобретения;
на фиг. 10a показана модель магнитной индукции (B), а на фиг. 10b показана модель напряженности (H) магнитного поля, выраженной в ампер-витках на метр, для нормальных рабочих условий, согласно второму варианту осуществления изобретения;
на фиг. 11a показана модель магнитной индукции (B), а на фиг. 11b показана модель напряженности (H) магнитного поля, выраженной в ампер-витках на метр, в начале состояния повреждения, согласно второму варианту осуществления изобретения;
на фиг. 12a - 15a показаны модели магнитной индукции (B), а на фиг. 12b - 15b показаны модели напряженности (H) магнитного поля, выраженной в ампер-витках на метр, для различных моментов в течение состояния повреждения, согласно второму варианту осуществления изобретения;
на фиг. 16a и 16b показаны сечения ОТП, в соответствии c третьим вариантом осуществления изобретения;
на фиг. 17a и 17b показаны сечения ОТП, в соответствии c четвертым вариантом осуществления изобретения;
на фиг. 18 показано сечение ОТП, в соответствии c пятым вариантом осуществления изобретения; и
на фиг. 19 показано сечение ОТП, в соответствии c шестым вариантом осуществления изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
На фиг. 1a и 1b показан первый вариант осуществления изобретения. В этом варианте осуществления, ОТП 1 имеет единственный сердечник, и ОТП 1 выполнен с возможностью ограничения токов повреждений для единственного источника переменного тока единственной фазы. На фиг. 1a показан вид сбоку, а на фиг. 1b показан вид с торца.
Как показано на фиг. 1a, ОТП 1 имеет единственный сердечник, который включает в себя четыре стержня 10a, 20a, 20b и 10b, ориентированные в одном и том же направлении. Четыре стержня соединены первым ярмом 30a на одном конце и вторым ярмом на другом конце. В этом варианте осуществления, четыре стержня 10a, 20a, 20b и 10b ориентированы вертикально, при этом оба ярма 30a, 30b ориентированы горизонтально.
Первая катушка 11а постоянного тока намотана вокруг первого стержня 10a, а вторая катушка 11b постоянного тока намотана вокруг четвертого стержня 10b. Следовательно, вокруг каждого из двух внешних стержней 10а и 10b намотана катушка постоянного тока.
Первая катушка 21а переменного тока намотана вокруг второго стержня 20a, а вторая катушка 21b переменного тока намотана вокруг третьего стержня 20b. Катушки 21а и 21b переменного тока соединены последовательно и соединены с сетью. Поэтому обе катушки 21а и 21b переменного тока намотаны вокруг внутренних стержней последовательно.
Катушки 11а и 11b постоянного тока намотаны так, что магнитный поток, создаваемый катушками постоянного тока во внешних двух стержнях, имеет противоположную полярность. Катушки переменного тока намотаны так, что магнитный поток, создаваемый катушками переменного тока во внутренних двух стержнях содействует потоку постоянного тока в одном стержне переменного тока и противодействует магнитному потоку постоянного тока в другом стержне переменного тока. Следовательно, компоновка, согласно фиг. 1, имеет замкнутый магнитный контур для магнитного потока постоянного тока и замкнутый магнитный контур для магнитного потока переменного тока. Это показано на фиг. 2, где схематически изображены магнитные цепи, создаваемые катушками постоянного тока и переменного тока. Сами катушки на фиг. 2 не показаны для упрощения иллюстрации.
Как показано на фиг. 2, первая катушка 11a постоянного тока создает первую магнитную цепь 12а постоянного тока в замкнутой группе вокруг первого стержня 10a и второго стержня 20a. Вторая катушка постоянного тока создает вторую магнитную цепь 12b постоянного тока в замкнутом контуре вокруг четвертого стержня 10b и третьего стержня 20b. Как показано на фиг. 2, первая магнитная цепь 12а постоянного тока имеет первое направление магнитного потока постоянного тока (по часовой стрелке на фиг. 2), а вторая магнитная цепь 12b постоянного тока имеет второе направление магнитного потока постоянного тока (против часовой стрелки на фиг. 2).
Катушки 21а и 21b переменного тока намотаны так, что существует замкнутая магнитная цепь 22 переменного тока. Направление замкнутой магнитной цепи 22 переменного тока таково, что магнитный поток переменного тока в одном из внутренних стержней будет противодействовать магнитному потоку постоянного тока в этом стержне, а магнитный поток переменного тока в другом стержне будет содействовать магнитному потоку постоянного тока в этом стержне. Ситуация будет изменяться на противоположную в следующем полупериоде переменного тока.
Следовательно, на фиг. 2 показан снимок в момент, когда магнитный поток переменного тока во втором стержне 20a противодействует магнитному потоку постоянного тока во втором стержне 20a, а магнитный поток переменного тока в третьем стержне 20b содействует магнитному потоку постоянного тока в третьем стержне 20b. В следующем полупериоде направление магнитной цепи переменного тока изменится на противоположное (т.е., переключится с направления по часовой стрелке на направление против часовой стрелки), и магнитный поток переменного тока во втором стержне 20a будет содействовать магнитному потоку постоянного тока во втором стержне 20a, а магнитный поток переменного тока в третьем стержне 20b будет противодействовать магнитному потоку постоянного тока в третьем стержне 20b.
Стержни и ярма в этом варианте осуществления имеют перемежающиеся, состыкованные под углом 45°, ступенчатые соединения внахлестку. Однако в других вариантах осуществления возможно применение упрощенных компоновок с использованием стыкуемых не под углом 45° соединений внахлест. Сердечник составлен из пластин текстурированной листовой стали, хотя в других вариантах осуществления возможно использование альтернативных структур сердечника.
Катушки (переменного тока и постоянного тока) в этом варианте осуществления выполнены из электролитической меди. Однако в других вариантах осуществления возможно использование альтернативных материалов.
ОТП 1, согласно первому варианту осуществления, может дополнительно содержать бак (не показан), выполненный с возможностью заключения в нем сердечника. Бак может быть частично или полностью заполнен диэлектрической текучей средой. Можно использовать любую подходящую диэлектрическую текучую среду, например, минеральное масло или растительное масло (в отношении которых обнаружено, что они являются подходящими в качестве диэлектрика для напряжение до 300 кВ и выше).
В варианте осуществления, согласно фиг. 1a, где представлен ОТП, рассчитанный на 10 кВА, внешние стержни постоянного тока (первый стержень 10a и четвертый стержень 10b), верхнее ярмо 30a и нижнее ярмо 30b имеют в каждом случае ширину 60 мм и глубину 32 мм. Каждый из внутренних стержней переменного тока (второго стержня 20a и третьего стержня 20b) имеет ширину 40 мм и глубину 32 мм. Центры стержней находятся на расстоянии 103 мм между стержнями переменного тока и 149 мм между стержнями переменного тока и постоянного тока. Как будет подробнее пояснено ниже, большее расстояние между стержнями переменного тока и постоянного тока снижает напряжение переменного тока, индуцируемое в катушках постоянного тока во время короткого замыкания.
В иллюстрируемом варианте осуществления, каждая катушка 11a, l1b постоянного тока имеет 60 витков и нормальный ток 50 ампер, а каждая катушка 20a, 20b переменного тока имеет 48 витков и нормальный ток 14,5 ампер. Конечно же, должно быть ясно, что возможные значения параметров и размеры ОТП, упомянутые выше, приведены чисто в иллюстративных целях. ОТП в соответствии c данным изобретением могут, например, иметь номинальные значения тока, которые гораздо выше, и могут быть значительно больше в размерах.
Теперь будет пояснена работа ограничителя 1 тока повреждения, показанного на фиг. 1а, в нормальных условиях и условиях повреждения. Однофазную конфигурацию моделировали как трехмерную переходную электромагнитную модель, а результаты показаны на фиг. 3 - 6, которые можно использовать для пояснения работы ограничителя 1 тока повреждения, показанного на фиг. 1a в нормальных условиях и условиях повреждения.
На фиг. 3 показан график переменного тока как функции времени для последовательно соединенных катушек 21а и 21b переменного тока на фиг. 1а. Более темная линия отображает ток, когда ОТП 1 работает, а более светлая линия отображает ожидаемый ток короткого замыкания системы, если бы ОТП 1 не было в цепи. В этом примере, ожидаемый ток короткого замыкания моделируется как составляющий 143,5 ампер.
До момента 30,5 миллисекунды, ОТП 1 находится в нормальных условиях. Поэтому переменный ток до момента 30,5 миллисекунды является синусоидальным. Более светлая линия отображает переменный ток, который протекал бы, если бы ОТП 1 не было в цепи в случае короткого замыкания. Более темная линия демонстрирует ограниченный ток короткого замыкания, являющийся результатом ограничения тока повреждения посредством ОТП 1.
На фиг. 4a показана модель магнитной индукции (B), а на фиг. 4b показана модель напряженности (H) магнитного поля, выраженной в ампер-витках на метр, для исходного состояния (t = 0 миллисекунд), согласно первому варианту осуществления изобретения.
Исходное (переходное) состояние (t = 0 миллисекунд) используется для настройки анализа переходного процесса. В этот момент, переменный ток равен 0 A, а постоянный ток в каждой катушке постоянного тока равен 50 A. Как показано на графике магнитного потока, согласно фиг. 4a, магнитный поток, создаваемый каждой катушкой 11a, 11b постоянного тока, возвращается через ближайший стержень переменного тока.
Поэтому, первая катушка 11a постоянного тока создает первую магнитную цепь 12а постоянного тока, идущую вокруг первого стержня 10a и второго стержня 20a. Вторая катушка 11b постоянного тока создает вторую магнитную цепь 12b постоянного тока, идущую вокруг четвертого стержня 10b и третьего стержня 20b. В первой магнитной цепи 12а постоянного тока соблюдается направление, противоположное соблюдаемому во второй магнитной цепи 12b постоянного тока. В катушках переменного тока нет тока, и поэтому нет магнитного потока, создаваемого катушками переменного тока.
Следовательно, в иллюстрируемом варианте осуществления первая магнитная цепь 12а постоянного тока проходит в направлении по часовой стрелке, а вторая магнитная цепь 12b постоянного тока проходит в направлении против часовой стрелки.
В результате этой компоновки магнитного потока, как показано на графике 4b насыщения, каждый из первого 11a, второго 20a, третьего 20b и четвертого 10b стержней находится в насыщении (светлый цвет на фиг. 4b). Как показано на фиг. 4b, стержни 20а и 20b переменного тока находятся в более глубоком насыщении (более светлый цвет), чем стержни постоянного тока, поскольку они имеют меньшее поперечное сечение в этом варианте осуществления.
Как показано на фиг. 4b, четырехстержневая компоновка ОТП 1 такова, что первый 11a, второй 20a, третий 20b и четвертый 10b стержни поддерживаются в насыщении, имея при этом области ярм 30a и 30b не в насыщении. Как показано на фиг. 4b, угловые области 31a, 31b, 31c и 31d ярм находятся не в насыщении, в котором находятся области 32a и 32b между обоими внутренними стержнями (вторым стержнем 20a и третьим стержнем 20b).
Следовательно, как показано на фиг. 4b, каждая катушка постоянного тока связана с ближайшей к ней катушкой переменного тока магнитным потоком, сконцентрированным на четырех стержнях, при этом максимальное насыщение имеет место на обоих внутренних стержнях.
На фиг. 5а показана модель магнитной индукции (B), а на фиг. 5b показана модель напряженности (H) магнитного поля, выраженной в ампер-витках на метр, для состояния нормального тока (t = 5 миллисекунд). Как показано на фиг. 3, в момент 5 миллисекунд имеется пик переменного тока в состоянии нормального тока.
На фиг. 5а показан результирующий магнитный поток (т.е., вносящий вклады магнитного потока магнитных цепей переменного тока и постоянного тока). На пике переменного тока, возникающем в момент 5 миллисекунд, магнитный поток, создаваемый катушками 21а и 21b переменного тока замкнутой магнитной цепи 22 переменного тока, направлен против часовой стрелки в этом полупериоде. Поэтому магнитный поток, создаваемый катушкой 21а переменного тока во втором стержне 20a, содействует магнитному потоку постоянного тока, создаваемому первой катушкой 11а постоянного тока во втором стержне 20a, тогда как магнитный поток переменного тока, создаваемый второй катушкой 21b переменного тока в третьем стержне 20b, противодействует магнитному потоку постоянного тока, создаваемому второй магнитной цепью 12b постоянного тока в третьем стержне 20b.
В результате, как показано на фиг. 5b, второй стержень 20a вводится глубже в насыщение (более светлый цвет) по сравнению с эквивалентным графиком для второго стержня 20a на фиг. 4b в условиях переходного процесса, тогда как третий стержень 20b делается менее насыщенным (более темный цвет) по сравнению с третьим стержнем 20b, согласно фиг. 4b.
Эта компоновка магнитной цепи переменного тока, содействующей или противодействующей магнитным цепям постоянного тока, изменится на противоположную в следующем полупериоде, при этом третий стержень 20b станет более насыщенным, а второй стержень 20a станет менее насыщенным, чем в условиях переходного процесса.
При нормальных условиях в насыщенном состоянии поддерживаются второй и третий стержни (из которых один стержень является более насыщенным, чем другой стержень). Следовательно, при нормальных условиях насыщенные катушки стержней 20a и 20b имеют очень малое полное сопротивление, и поэтому ОТП 1 фактически прозрачен для сети, соединенной с ОТП 1.
В вышеописанном варианте осуществления, стержни переменного тока имеют меньшее поперечное сечение, чем стержни постоянного тока. Преимущество этого состоит в том, что стержни переменного тока легче входят в насыщение, чем стержни постоянного тока, что способствует гарантии малого полного сопротивления в нормальных условиях.
Как показано на фиг. 3, в момент 30,5 миллисекунд моделируется состояние короткого замыкания. На фиг. 6а и 6b показаны графики магнитного потока и насыщения на снимке во время этого состояния короткого замыкания (t=63,5 миллисекунды). Момент 63,5 миллисекунды отображает область около четвертого пика переменного тока после короткого замыкания.
Компоновка магнитных цепей постоянного тока и переменного тока на фиг. 6a и 6b являются такой же, как те, которые описаны в состоянии нормального тока на фиг. 5a и 5b, за исключением того, что величина магнитного потока переменного тока увеличивается из-за большего переменного тока в состоянии короткого замыкания. Поэтому в состоянии короткого замыкания эффект магнитной цепи переменного тока, содействующей магнитному потоку постоянного тока в одном стержне и противодействующей магнитному потоку постоянного тока в другом внутреннем стержне, усиливается.
Как показано на фиг. 6b, усиление содействия или противодействия магнитной цепью переменного тока магнитным цепям постоянного тока имеет эффект (в этом полупериоде) перевода второго стержня 20a в очень глубокое насыщение с одновременным переводом третьего стержня 20b в ненасыщенное состояние. Влияние третьего стержня 20b, находящегося в ненасыщенном состоянии на фиг. 6b, будет заключаться в том, что полное сопротивление правого стержня будет увеличиваться, способствуя ограничению тока повреждения.
Ситуация в следующем полупериоде переменного тока изменится на противоположную, при этом второй стержень выйдет из насыщения (и поэтому его полное сопротивление вырастет), а третий стержень 20b станет более насыщенным. Следовательно, во время условий повреждения в каждом полупериоде один из второго и третьего стержней (т.е., внутренних стержней) будет не в насыщении, гарантируя состояние большого полного сопротивления.
Это чередование роста полного сопротивления в одном из внутренних стержней продолжается до тех пор, пока повреждение не будет устранено.
В таблице 1 показано расчетное полное сопротивление по переменному току для нормального состояния в течение пяти полупериодов после смоделированного короткого замыкания.
Таблица 1
t, мсек
Ток, А
Напряжение, V
Полное сопротивление, Ом
Отношение полных сопротивлений при коротком замыкании и в нормальных условиях
30
14,21
1,296
0,091
40
39,96
21,49
0,538
5,9
50
46,42
46,94
1,011
11,1
60
43,12
48,97
1,356
12,5
70
45,05
38,4
0,853
9,4
80
43,06
49,73
1,144
12,6
Как можно увидеть из таблицы 1, отношение полных сопротивлений при коротком замыкании и в нормальных условиях изменяется то 5,9 до 12,6 в течение пяти полупериодов после короткого замыкания.
ОТП 1, согласно первому варианту осуществления, ассоциируется с рядом преимуществ. Приведенная в качестве примера четырехстержневая конструкция, рассчитанная на 10 кВА, дает большое полное сопротивление при коротком замыкании. Смоделированная конструкция может иметь меньшие ампер-витки переменного тока и постоянного тока и меньшую массу по сравнению с обычными компоновками, да еще и достигает рабочего значения отношения полных сопротивлений при коротком замыкании и в нормальных условиях, превышающее 5.
Путь магнитного потока по всем сердечникам в замкнутой конструкции переменного тока дает малое реактивное сопротивление при большом полном сопротивлении, в отличие от обычных конструкций (в которых используется, например, комбинированный путь магнитного потока «воздух - сердечник» в конструкции с разомкнутой цепью переменного тока). Поэтому, отношение полных сопротивлений при коротком замыкании и в нормальных условиях выше, чем для обычных ОТП.
Помимо этого, варианты осуществления изобретения связаны с преимуществами при изготовлении. В варианте осуществления, согласно фиг. 1, четыре стержня расположены вертикально, и поэтому все катушки (постоянного тока и переменного тока) намотаны вокруг вертикальных стержней. Катушки, намотанные вокруг вертикальных стержней, предпочтительны по отношению к катушкам, намотанным вокруг горизонтальных стержней, по ряду причин. Одной причиной является рабочая характеристика при расположении в баке, содержащем диэлектрик, такой, как масло. В катушках, намотанных вокруг вертикальных стержней, горячее масло (которое легче) поднимается к верхушке обмотки, устанавливая эффект термосифона благодаря силе тяжести. Этот напор масла движет масло через обмотки, уменьшая температуру проводников. В горизонтальных компоновках масло не может двигаться вертикально и будет застаиваться, создавая более высокую температуру в обмотках. Чтобы компенсировать ее, требуется проводник большего сечения или больше каналов охлаждения, предусматриваемых для охлаждения обмоток, что ведет к дополнительным затратам.
Вертикально ориентированные катушки постоянного тока и переменного тока обеспечивают приемлемое управление температурой проводников посредством эффективного движения масла.
Кроме того, в процессе изготовления, согласно вариантам осуществления изобретения, предусматривающем использование вертикально расположенных стержней, можно сначала установить нижнее ярмо и стержни на горизонтальном столе. Эту сборку можно затем перевернуть вверх ногами и опустить по стержням две катушки постоянного тока и две катушки переменного тока. Потом можно вставить верхнее ярмо, соединяя стержни. Это безопасный и относительно быстрый процесс сборки. В отличие от этого, горизонтальные обмотки нельзя опускать на стержни. Их надо вывешивать или поддерживать в воздухе, вставляя пластины сердечников через внутреннее пространство обмоток. Это замедляет процесс изготовления. Кроме того, если нужно разместить горизонтальную катушку в верхнем ярме, опора катушки при вставлении пластин создает опасность для людей, работающих под катушкой.
Кроме того, возможна жесткая опора всех обмоток со дна бака посредством нижних блоков рамы нижних ножек сердечника. Сборка катушек с сердечниками также обеспечивает надлежащую опору во время транспортировки и повышенную устойчивость под действием сил короткого замыкания. Горизонтально подвешенные катушки постоянного тока в обычных компоновках (помимо того, что представляют собой угрозу во время сборки сердечников с катушками) не имеют надлежащей опоры во время сборки, эксплуатации и короткого замыкания.
Как уже говорилось, наличие замкнутой компоновки переменного тока выгодно с точки зрения достижения меньшего реактивного сопротивления при большем полном сопротивлении, чем при обычных конструкциях (в которых используется, например, комбинированный путь магнитного потока «воздух - сердечник» к конструкции с разомкнутой цепью переменного тока). Помимо этого, наличие замкнутого пути магнитного потока для постоянного тока тоже выгодно, поскольку это снижает магнитный поток постоянного тока снаружи ОТП.
Наличие двух катушек подмагничивания постоянным током допускает в некоторых вариантах осуществления изобретения конфигурацию, обеспечивающую выбор параметров источника постоянного тока таким образом, что в случае отказа одного источника постоянного тока, второй источник постоянного тока сможет обеспечить приемлемые параметры ОТП. Таким образом, можно достичь высокой надежности ОТП.
Катушки постоянного тока обеспечивают управляемый уровень насыщения ферромагнитного сердечника и установлены параллельно направлению магнитного потока переменного тока на сегменте сердечника, где результирующий магнитный поток переменного тока через катушку постоянного тока минимален. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, повышенное насыщение стержней переменного тока насыщенного ферромагнитного сердечника ОТП может быть достигнуто посредством использования стержней постоянного тока сердечника с бульшим поперечным сечением и/или большей индукцией насыщения. Такими средствами можно достичь меньшей величины дифференциальной магнитной проницаемости в стержнях переменного тока с меньшими ампер-витками катушек постоянного тока.
В вышеописанном варианте осуществления, каждая из первой катушки постоянного тока, намотанной на первом стержне, и второй катушки постоянного тока, намотанной на четвертом стержне, каждая создает замкнутую магнитную цепь описанным образом. Поэтому первая катушка постоянного тока является примером первого блока подмагничивания, выполненного с возможностью создания первой замкнутой магнитной цепи постоянного тока в первом стержне и втором стержне, имеющей первое направление магнитного потока, а вторая катушка постоянного тока является примером второго блока подмагничивания, выполненного с возможностью создания второй замкнутой магнитной цепи постоянного тока в четвертом стержне и третьем стержне, имеющей второе направление магнитного потока, противоположное первому направлению магнитного потока. Следовательно, в этом варианте осуществления первый блок подмагничивания содержит первую катушку постоянного тока, намотанную на первом стержне, а второй блок подмагничивания содержит вторую катушку постоянного тока, намотанную на четвертом стержне.
В других вариантах осуществления, первый блок подмагничивания (выполненный с возможностью создания первой замкнутой магнитной цепи постоянного тока в первом стержне и втором стержне, имеющей первое направление магнитного потока) и второй блок подмагничивания (выполненный с возможностью создания второй замкнутой магнитной цепи постоянного тока в четвертом стержне и третьем стержне, имеющей второе направление магнитного потока) могут принимать другие формы. Например, первый блок подмагничивания может принимать форму одного или нескольких постоянных магнитов, которые образуют весь первый стержень или его часть. Аналогично, второй блок подмагничивания может принимать форму одного или нескольких постоянных магнитов, которые образуют весь четвертый стержень или его часть. В альтернативном варианте, первый и/или второй блок подмагничивания может содержать другой магнитный источник, такой, как полученный из высокотемпературного полупроводникового источника.
Иными словами, хотя в вышеописанном варианте осуществления рассмотрено использование первой и второй катушек постоянного тока в качестве первого и второго блоков подмагничивания, варианты осуществления изобретения этим исполнением не ограничиваются.
На фиг. 7a и 7b показан еще один вариант осуществления изобретения. В этом варианте осуществления, ОТП 100 имеет единственный сердечник и ОТП выполнен с возможностью ограничения токов повреждений для каждой фазы трехфазного источника питания переменного тока. На фиг. 7a показан вид сбоку, а на фиг. 7b показан вид с торца.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 7a, имеется единственный сердечник с четырьмя стержнями 110a, 120a, 120b и 110b, ориентированные в одном и том же направлении, причем первое ярмо 130a соединяет одни концы четырех стержней, а второе ярмо 130b соединяет другие концы четырех стержней. В этом варианте осуществления, четыре стержня 110a, 120a, 120b и 110b ориентированы вертикально, при этом оба ярма 130a, 130b ориентированы горизонтально.
Катушка 111а постоянного тока намотана вокруг первого стержня 110a, а вторая катушка 1l1b постоянного тока намотана вокруг четвертого стержня 110b (т.е., они намотаны вокруг обоих внешних стержней). Имеются две катушки переменного тока, соединенные последовательно, для каждой из трех фаз источника переменного тока.
Как показано на фиг. 7a, первая катушка 121Ra переменного тока и вторая катушка 121Rb переменного тока соединены последовательно с первой фазой (R) трехфазного источника. Первая катушка 121Ra переменного тока намотана вокруг второго стержня 120a, а вторая катушка 121Rb переменного тока намотана вокруг третьего стержня 120b.
Третья катушка 121Sa переменного тока соединена последовательно с четвертой катушкой 121Sb переменного тока, а третья и четвертая катушки 121Sa и 121Sb переменного тока соединены со второй фазой (S) трехфазного источника. Третья катушка 121Sa переменного тока намотана вокруг второго стержня 120a, а четвертая катушка 121Sb переменного тока намотана вокруг третьего стержня 120b.
Пятая катушка 121Ta переменного тока соединена последовательно с шестой катушкой 121Tb переменного тока, а пятая и шестая катушки 121Ta и 121Tb переменного тока соединены с третьей фазой (T) трехфазного источника. Пятая катушка 121Ta переменного тока намотана вокруг второго стержня 120a, а шестая катушка 121Tb переменного тока намотана вокруг третьего стержня 120b.
Катушки переменного тока на втором стержне 120a размещены сверху вниз как первая 121Ra, третья 121Sa и пятая 121Ta, соответственно. Иными словами, первая 121Ra, третья 121Sa и пятая 121Ta катушки переменного тока расположены в этом порядке на втором стержне 120a.
Катушки переменного тока на третьем стержне размещены сверху вниз как шестая 121Tb, четвертая 121Sb и вторая 121Rb, соответственно. Иными словами, катушки переменного тока на третьем стержне 120b расположены в порядке, противоположном фазам R, S, T по сравнению со вторым стержнем 120a. На стержнях переменного тока в других вариантах осуществления можно использовать другие последовательные компоновки фаз R, S и T.
Катушки переменного тока для каждой из трех фаз намотаны аналогично катушкам 21а и 21b переменного тока на фиг. 1a. Иными словами, они намотаны так, что каждая создает магнитную цепь переменного тока в пределах двух внутренних стержней (второго стержня 120a и третьего стержня 120b), которая противодействует магнитному потоку постоянного тока в одном стержне и содействует магнитному потоку постоянного тока в другом стержне, причем ситуация изменяется на противоположную в следующем полупериоде.
Стержни и ярма в этом варианте осуществления имеют перемежающиеся, состыкованные под углом 45°, ступенчатые соединения внахлестку. Однако в других вариантах осуществления возможно применение упрощенных компоновок с использованием стыкуемых не под углом 45° соединений внакрой. Сердечник составлен из пластин текстурированной листовой стали, хотя в других вариантах осуществления возможно использование альтернативных структур сердечника.
Катушки (переменного тока и постоянного тока) в этом варианте осуществления выполнены из электролитической меди. Однако в других вариантах осуществления возможно использование альтернативных материалов для катушек, например, алюминия. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления катушки переменного тока и постоянного тока могут быть намотаны на круглые, овальные или прямоугольные каркасы.
Теперь будет пояснена работа ограничителя 100 тока повреждения, показанного на фиг. 7, в нормальных условиях и условиях повреждения. Как и в случае первого варианта осуществления, второй вариант осуществления моделировали как трехмерную переходную электромагнитную модель, а результаты показаны на фиг. 9-15, которые можно использовать для пояснения работы ограничителя 100 тока повреждения, показанного на фиг. 7a, в нормальных условиях и условиях повреждения.
На фиг. 8 показан график переменного тока как функции времени для трехфазной компоновки, показанной на фиг. 7a. Как показано на фиг. 8, короткое замыкание происходит примерно в момент 10,5 миллисекунд. Более темные линии отображают ток, когда ОТП 100 работает, а более светлые линии отображают ожидаемые токи короткого замыкания системы, если бы ОТП 100 не было в цепи. В этом примере, ожидаемые токи короткого замыкания моделируются как составляющие 143,5 ампер.
На фиг. 9a и 9b показано исходное состояние в момент t = 0 миллисекунд, в который переменный ток равен 0 A, а постоянный ток в каждой катушке постоянного тока равен 50 A. Как можно увидеть из фиг. 9a, первая и вторая катушки 111a и 111b постоянного тока создают первую и вторую замкнутые магнитные цепи, так что одна магнитная цепь постоянного тока имеет направление по часовой стрелке, а другая магнитная цепь постоянного тока имеет направление против часовой стрелки.
Магнитный поток, создаваемый каждой катушкой 111a, 111b постоянного тока, возвращается через ближайший стержень переменного тока. В катушках переменного тока ток отсутствует, и поэтому нет магнитного потока, создаваемого катушками переменного тока.
Как показано на фиг. 9b, эффект магнитного потока постоянного тока заключается в переводе каждого из четырех стержней в насыщение со структурой ненасыщенных областей в углах и на участках между двумя внутренними стержнями, аналогичной той, которая описана применительно к фиг. 4b. Как показано на фиг. 9b, стержни 120a и 120b переменного тока находятся глубже в насыщении (более светлый цвет), чем стержни постоянного тока, поскольку они имеют меньшее поперечное сечение в этом варианте осуществления.
Следовательно, как показано на фиг. 9b, каждая катушка постоянного тока связана с ближайшей к ней катушкой переменного тока магнитным потоком, сконцентрированным на четырех стержнях, при этом максимальное насыщение имеет место на обоих внутренних стержнях.
На фиг. 10a и 10b показан снимок во время состояния нормального тока (t=5 миллисекунд). В момент t=5 миллисекунд, фаза R трехфазного тока находится на пике, а фазы S и Т находятся в противоположном полупериоде.
Следовательно, первая и вторая катушки 121Ra, 121Rb переменного тока будут действовать, создавая магнитную цепь переменного тока в одном направлении, тогда как другие два комплекта катушек переменного тока (121Ta/121Tb, 121Sa/121Sb) для других двух фаз будут действовать, создавая магнитные цепи в другом направлении (но с меньшей величиной тока). Аналогично тому, что описано применительно к фиг. 5b, эффект компоновки магнитных цепей переменного тока для каждой фазы, обуславливающий содействие или противодействие магнитным цепям постоянного тока, будет изменяться на противоположный с каждым полупериодом.
В результате, в нормальных условиях и как показано на фиг. 10b, в обоих внутренних стержнях (втором и третьем стержнях 120a и 120b), которые находятся в более глубоком насыщении, существуют области, которые переведены в меньшее насыщение. Области более глубокого и/или меньшего насыщения зависят от изменяющейся со временем величины токов в каждом из трех комплектов катушек переменного тока.
Как показано на фиг. 10b, эффект этого заключается в том, что оба внутренних стержня поддерживаются в насыщенном состоянии, так что полное сопротивление внутренних стержней очень мало, вследствие чего ОТП 100 прозрачен для сети.
Как показано на фиг. 8, в момент 10,5 миллисекунд моделируется состояние короткого замыкания. На фиг. 11a и 11b показаны графики магнитного потока и насыщения в начале состояния короткого замыкания. Как будет ясно, эффект состояния короткого замыкания при повреждении трехфазной цепи состоит в том, что каждый из переменных токов в трех комплектах катушек переменного тока увеличится. Поэтому вышеописанный эффект содействия или противодействия усилится, и в каждом стержне возникнут области каждого стержня, которые окажутся глубже в насыщении, и области, которые не насыщены. Картина насыщения или выхода из насыщения будет изменяться со временем, поскольку изменяются переменные токи в каждой из фазных катушек.
На фиг. 12a и 12b для второй фазы (S) переменного тока показаны графики магнитной индукции (B) и напряженности (H) магнитного поля, выраженной в ампер-витках на метр, в момент 10,5 миллисекунд, при наступлении которого отображается первый пик после короткого замыкания.
Сравнивая фиг. 12b (t=5 миллисекунд) с началом короткого замыкания на фиг. 11b (t=10,5 миллисекунд), можно увидеть, что растущий переменный ток в первой и третьей катушках 121Sa и 121Sb переменного тока вызывает перевод одного участка второго стержня 120a глубже в насыщение (более светлый цвет) и выход участка третьего стержня 120b из насыщения (более темный цвет). Это можно объяснить, учитывая эффект трех магнитных цепей переменного тока, создаваемый тремя комплектами катушек переменного тока, каждая из которых противодействует магнитному потоку постоянного тока в одном внутреннем стержне и содействует постоянному току в другом внутреннем стержне.
На фиг. 13a и 13b для первой фазы (R) переменного тока показаны графики магнитной индукции (B) и напряженности (H) магнитного поля, выраженной в ампер-витках на метр, в момент 15,5 миллисекунд, при наступлении которого отображается второй пик после короткого замыкания. По сравнению с фиг. 12b, можно увидеть, что картина более глубокого и/или меньшего насыщения на фиг. 13b изменилась из-за растущего тока в первой и второй катушках 121Ra, 121Rb переменного тока и соответствующих изменений в других катушках переменного тока для других фаз.
На фиг. 14a и 14b для третьей фазы (T) переменного тока показаны графики магнитной индукции (B) и напряженности (H) магнитного поля, выраженной в ампер-витках на метр, в момент 19,5 миллисекунд, при наступлении которого отображается третий пик после короткого замыкания. По сравнению с фиг. 13b, можно увидеть, что картина областей более глубокого и/или меньшего насыщения в двух внутренних стержнях опять изменилась, будучи на этот раз обусловленной пиком для фазы T, вызывающим рост тока в пятой и шестой катушках 121TRa, 121Tb переменного тока.
На фиг. 15a и 15b для третьей фазы (T) переменного тока показаны графики магнитной индукции (B) и напряженности (H) магнитного поля, выраженной в ампер-витках на метр, в момент 30,5 миллисекунд, при наступлении которого отображается следующий пик после того, который изображен на фиг. 14a и 14b. В результате, на фиг. 15a и 15b показаны графики магнитного потока и насыщения в полупериоде, противоположном показанному на фиг. 14a и 14b. Как можно заметить, картина областей более глубокого и/или меньшего насыщения в двух внутренних стержнях на фиг. 15b является противоположной по сравнению с фиг. 14a.
Фиг. 8-15 относятся к повреждению трехфазных цепей, но работа ОТП 100 будет в равной степени ограничивать повреждения и при повреждениях одно- или двухфазных цепей. В случаях повреждения одно- или двухфазной цепи, любой рост тока в одном из комплектов фазных катушек переменного тока будет иметь эффект перевода области одного внутреннего стержня в более глубокое насыщение и вывода области другого стержня из насыщения. Поэтому компоновка, показанная на фиг. 7, может ограничить широкий диапазон условий повреждения.
ОТП 100, согласно второму варианту осуществления, может дополнительно содержать бак (не показан), выполненный с возможностью заключения в нем сердечника. Бак может быть частично или полностью заполнен диэлектрической текучей средой. Можно использовать любую подходящую диэлектрическую текучую среду, например, минеральное масло.
В ОТП 100, согласно второму варианту осуществления, первая 121Ra, третья 121Sa и пятая 121Ta катушки переменного тока расположены сверху вниз в этом порядке на втором стержне 120a, а шестая 121Tb, восьмая 121Sb и вторая 121Rb катушки переменного тока расположены сверху вниз в этом порядке на третьем стержне 120b. Однако в других вариантах осуществления, катушки фаз R, S, T на каждом стержне могут быть расположены в другой структуре. Например, в некоторых вариантах осуществления, первая 121Ra, третья 121Sa и пятая 121Ta катушки переменного тока могут быть расположены в этом порядке на втором стержне 120a, а шестая 121Tb, восьмая 121Sb и вторая 121Rb катушки переменного тока могут быть расположены в том же порядке на третьем стержне 120b.
В некоторых вариантах осуществления, которые предусматривают использование трех катушек переменного тока (по одной для каждой фазы) на единственном стержне, катушкам переменного тока для каждой фазы можно придать такую конфигурацию, что, по меньшей мере, одна из катушек переменного тока для каждой фазы продемонстрирует несбалансированное магнитное полное сопротивления относительно остальных катушек переменного тока для каждой фазы (в этом контексте, термины «асимметричное» и «несбалансированное» эквивалентны).
Иными словами, две катушки переменного тока в каждой тройке могут иметь одинаковое магнитное полное сопротивление, а третья - другое, или - в альтернативном варианте - все три катушки в каждой тройке могут иметь разные магнитные полные сопротивления. Следует также отметить, что дисбаланс может возникать из-за разных собственных полных сопротивлений трех катушек переменного тока или разных передаточных полных сопротивлений этих катушек. В некоторых вариантах осуществления, катушки переменного тока каждой фазы могут быть намотаны с разными количествами витков для достижения асимметричного магнитного полного сопротивления. В других вариантах осуществления, катушки переменного тока каждой фазы расположены на разных участках внутренних стержней для достижения асимметричного магнитного полного сопротивления. Кроме того, катушки переменного тока каждой фазы могут иметь разные геометрии катушек для достижения асимметричного магнитного полного сопротивления.
ОТП, описанный применительно ко второму варианту осуществления, ассоциируется с теми же преимуществами, что и преимущества, ассоциирующиеся с первым вариантом осуществления. Выгода этого заключается в том, что защита для трех фаз обеспечивается в компактной конструкции на единственном сердечнике.
В вариантах осуществления, в которых имеется один сердечник для одной фазы, отсутствует межфазная связь по магнитному потоку переменного тока, что дополнительно увеличивает отношение полных сопротивлений при повреждении и в нормальном состоянии по сравнению с обычными компоновками. Варианты осуществления, предусматривающие использование катушек трехфазного переменного тока на единственном стержне, могут давать меньшие отношения полных сопротивлений, чем при использовании одного сердечника на фазу, из-за связи, возникающей вследствие фаз на единственном сердечнике. Поэтому такие варианты осуществления можно заимствовать, если предписывается меньшее отношение полных сопротивлений. Однако использование катушек трехфазного переменного тока дает более компактную конструкцию.
Как и в первом варианте осуществления, во втором варианте осуществления применяется первая катушка постоянного тока, намотанная на первый стержень, для обеспечения первого блока подмагничивания, который создает первую замкнутую магнитную цепь в первом стержне, и вторая катушка постоянного тока, намотанная на четвертом стержне, для обеспечения второго блока подмагничивания, который создает вторую замкнутую магнитную цепь в четвертом стержне и третьем стержне, имеющую направление магнитного потока, противоположное направлению магнитного потока первой замкнутой магнитной цепи. Однако первый и/или второй блок подмагничивания могут содержать любой другой подходящий магнитный источник, например, постоянный магнит, образующий весь соответствующий стержень или его часть.
На фиг. 16a и 16b показан дополнительный вариант осуществления изобретения, в котором три сердечника 201, 202, 203, содержащие по четыре стержня (например, того типа, которые показаны на фиг. 1), расположены в общем баке 205 для обеспечения трехфазного ОТП. На фиг. 16a показан вид с торца, а на фиг. 16b показан вид спереди.
На фиг. 16a и 16b показаны три сердечника, содержащие по четыре стержня, того типа, которые показаны на фиг. 1, расположенные в компоновке вертикальной укладки друг на друга в общем баке 205, причем катушки переменного тока каждого сердечника 201, 202, 203, содержащего четыре стержня, соединены с одной из трех фаз R, S, T переменного тока. Бак 205 может быть частично или полностью заполнен диэлектрической текучей средой.
На фиг. 17a и 17b показаны варианты согласно фиг. 16a и 16b, в котором три сердечника 301, 302, 303 (с четырьмя стержнями каждый) расположены в горизонтальной стопе в общем баке 305, причем каждая из катушек 301, 302, 303 переменного тока имеет четыре стержня, соединенные с одной из трех фаз R, S, T переменного тока. Бак 305 может быть частично или полностью заполнен диэлектрической текучей средой. На фиг. 17a показана компоновка с округлыми катушками, а на фиг. 17b показана компоновка с квадратными катушками. В других вариантах осуществления возможно использование других поперечных сечений (и это применимо ко всем вариантам осуществления изобретения).
На фиг. 18 показан еще один вариант осуществления трехфазного ОТП, в котором имеется батарея из трех индивидуальных сердечников 401, 402, 403 (с четырьмя стержнями каждый), расположенных в отдельных баках 405, 406, 407, причем каждый сердечник предназначен для одной из трех фаз R, S, T переменного тока. Иными словами, на фиг. 18 показано, как три ОТП того типа, который показаны на фиг. 1 (или другом чертеже), можно располагать в отдельных баках, чтобы обеспечить ограничитель тока повреждения для трехфазного питания.
На фиг. 19 показан дополнительный вариант осуществления, в котором три сердечника 501, 502, 503 с четырьмя стержнями каждый расположены бок о бок, при этом каждый из сердечников 501, 502, 503 «пользуется» двумя общими катушками 510s, 510b постоянного тока совместно с другими сердечниками.
Каждый сердечник (первый 501, второй 502 и третий 503) имеет два внешних стержня (первый и четвертый стержни) и два внутренних стержня (второй и третий стержни) аналогично тем сердечникам, которые описаны выше. Каждый сердечник 501, 502, 503 имеет катушку переменного тока, намотанную вокруг каждого из двух внутренних стержней (второго и третьего стержней) сердечника, причем каждый комплект катушек переменного тока намотан последовательно и соединен с одной фазой трехфазного питания. Внешние стержни (первый и четвертый стержни) каждого из трех стержней «совместно пользуются» общей катушкой 510a, 510b постоянного тока.
Как можно увидеть из фиг. 19, первая общая катушка 510a постоянного тока намотана вокруг первого из стержней, обеспечивая первую катушку постоянного тока для первого, второго и третьего сердечников 501, 502, 503. Помимо этого, вторая общая катушка 510b постоянного тока намотана вокруг второго из стержней, обеспечивая вторую катушку постоянного тока первого, второго и третьего сердечников 501, 502, 503.
Поэтому в компоновке согласно фиг. 19 первая и вторая общие катушки 510a, 510b постоянного тока обеспечивают магнитные цепи постоянного тока во внутренних стержнях (втором и третьем стержнях) трех сердечников. Следовательно, работа каждого стержня 501, 502, 503 (для каждой фазы) аналогична описанной применительно к фиг. 1, при этом магнитный поток постоянного тока создается первой и второй общими катушками постоянного тока.
Помимо вышеупомянутых вариантов осуществления, варианты осуществления изобретения могут предусматривать и другие компоновки. Например, в первом варианте осуществления имеется один комплект последовательно соединенных катушек переменного тока для однофазного ОТП переменного тока, а во втором варианте осуществления применяются три комплекта последовательно соединенных катушек переменного тока для трехфазного ОТП переменного тока. Вместе с тем, должно быть ясно, что в других вариантах осуществления изобретения возможны n комплектов последовательно соединенных катушек переменного тока, причем каждый комплект последовательно соединенных катушек переменного тока предназначен для одной из n фаз переменного тока. Например, сердечник может иметь два комплекта катушек переменного тока, по одному для каждой из двух фаз.
В вариантах осуществления изобретения, проводник обмотки переменного тока может быть выполнен из любого подходящего материала, такого, как алюминий или медь. Помимо этого, проводник обмотки переменного тока может быть выполнен из любого подходящего материала, такого, как алюминий, медь или высокотемпературный полупроводник.
В некоторых вариантах осуществления, вокруг обмоток применяется текучая среда, такая, как минеральное масло, растительное масло или криогенная жидкость.
В некоторых вариантах осуществления, например - для малых ОТП, возможно применение твердой изоляции сухого типа и воздуха вокруг обмоток в баке или кожухе.
Обмотки переменного тока и постоянного тока могут иметь различные формы, такие, как круглая, прямоугольная, овальная или форма «беговой дорожки». Помимо этого, стержни и ярма сердечников могут иметь круглое (в форме восьмерки), овальное или прямоугольное поперечное сечение. Катушки переменного тока и постоянного тока могут быть намотаны на круглые, овальные или прямоугольные каркасы.
Во всех ранее описанных вариантах осуществления изобретения применяются сердечники с четырьмя стержнями, которые ориентированы в одном направлении (например, вертикально). Однако должно быть ясно, что данное изобретение этим не ограничивается и возможны альтернативные расположения четырех стержней. Например, четыре стержня можно расположить по-другому, в результате чего достигается первая замкнутая магнитная цепь постоянного тока в первом стержне и втором стержне, имеющая первое направление магнитного потока постоянного тока, и вторая замкнутая магнитная цепь постоянного тока с направлением магнитного потока постоянного тока, противоположным имеющемуся в первой замкнутой магнитной цепи постоянного тока, причем первая замкнутая магнитная цепь переменного тока во втором и третьем стержнях имеет направление магнитного потока переменного тока, которое изменяется через каждый полупериод переменного тока. Стержни могут быть, например, скошенными.
В вышеописанных вариантах осуществления, стержни переменного тока (т.е., внутренние два стержня) имеют поперечное сечение, меньшее, чем стержни постоянного тока (т.е., оба внешние стержни) и ярма. Однако в других вариантах осуществления участок ярм между обоими стержнями переменного тока может иметь поперечное сечение, меньшее или большее, чем остальные ярма.
В вышеописанных варианте осуществления изобретения, имеется один или несколько сердечников, каждый из которых имеет четыре стержня. Эти четыре стержня показаны на чертежах как расположенные в одной и той же плоскости. Однако варианты осуществления изобретения этим не ограничиваются. Хотя расположение четырех стержней в ряд в одной и той же плоскости технологически проще (поскольку легок доступ ко всем стержням), следует признать, что четыре стержня могут быть расположены альтернативными способами при поддержании той же компоновки замкнутых магнитных цепей постоянного тока и переменного тока. Например, четыре стержня могут быть расположены в шахматной компоновке или компоновке другой формы.
Специалисты в данной области техники смогут сами предложить другие варианты и модификации, обратившись к вышеизложенным иллюстративным вариантам осуществления, которые приведены лишь в качестве примера, а не предназначены для ограничения объема притязаний изобретения, который определяется прилагаемой формулой изобретения.