ТРЕХФАЗНЫЙ ТОКООГРАНИЧИВАЮЩИЙ РЕАКТОР ДЛЯ УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к электрическим реакторам и трансформаторам, и может быть использована для защиты устройства плавного пуска (далее по тексту УПП) электродвигателя.
Известен трехфазный токоограничивающий реактор типа РТСТ-6-100-2,2 (см. Каталог продукции ООО «РосЭнергоТранс», г.Екатеринбург, 2007 г.), содержащий три фазные обмотки, установленные вертикально одна над другой, верхнюю и нижнюю крестовины, элементы фиксации в виде шпилек, изоляторы. Каждая фазная обмотка выполнена из специального реакторного кабеля в силиконовой изоляции, намотанного на изоляционный цилиндр, рядами параллельно его оси. Между рядами установлены прокладки формирующие вентиляционные каналы, выполненные из стеклопластика. Каждая фазная обмотка спрессована с помощью верхней и нижней крестовин, выполненных из массивных стеклопластиковых балок, стянутых по краям шпильками из немагнитного металла. Между обмотками, а также за последней фазной обмоткой внизу реактора установлены специальные высоковольтные изоляторы, прикрепленные к крестовинам, соединяя фазные обмотки в единую конструкцию. Выводы фазных обмоток выведены на края балок, где приварены к контактным пластинам для внешних подключений.
Аналогичную конструкцию имеют реакторы типа RTA - RES итальянской компании «Zucchini SpA» (журнал «Техсовет», №5, 2006 г.).
Реактор РТСТ-6-100-2,2 широко применяется в УПП серии УБПВД-С мощных синхронных электродвигателей напряжением 6-10 кВ.
Недостатками данного реактора являются:
- большой расход реакторного кабеля, и изоляционных материалов, обуславливающих высокую стоимость, как самого реактора, так и реакторного шкафа, используемого для защиты обслуживающего персонала;
- применение специального дорогостоящего многожильного реакторного кабеля с силиконовой изоляцией значительно увеличивающего стоимость реактора;
- большие габаритные размеры.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому реактору является трехфазный токоограничивающий реактор для устройства плавного пуска электродвигателя типа РТСТ-10-250-0,87 (Каталог продукции: «Трансформаторы, автотрансформаторы, электрические реакторы, выключатели, разъединители», ОАО «Электрозавод», г.Москва, 2000 г.), принятый за прототип, содержащий центральный, торцевые и боковые конструкционные элементы, образующие каркас, вертикально расположенные три фазные обмотки, между рядами проводов которых установлены прокладки, формирующие вертикальные вентиляционные каналы, опорные элементы, элементы опрессовки.
Недостатками реактора являются, большой расход изоляционных материалов и обмоточного провода, несовершенство конструкции реактора, сложность технологии изготовления и сборки реактора и низкая ремонтопригодность, недостаточная надежность работы реактора.
Реактор - прототип обладает крупными габаритными размерами центрального, торцевых, опорных и боковых конструкционных элементов, а также фазных обмоток. Следовательно, для его изготовления требуется повышенный расход материалов, отчего увеличивается стоимость готового реактора. Применение для фиксации витков фазных обмоток опорных колец, изготовление опорных элементов и центрального конструкционного элемента с пазами и выступами свидетельствует о трудоемкости их изготовления. То, что все фазные обмотки расположены на центральном конструкционном элементе и требуют применения при изготовлении специального оборудования, а при ремонте требуются полная разборка и сборка реактора также с применением специального инструмента, позволяет сделать вывод о сложности его конструкции и низкой его ремонтопригодности. Завышенное сечение провода привело к увеличению габаритов фазных обмоток и расхода обмоточного провода, что также свидетельствует о несовершенстве конструкции реактора.
Выполнение фазных обмоток круглой формы, а также установка ограниченного количества прокладок между рядами витков провода создает условия, при которых возможно образование большой стрелы провеса провода в сторону центра. Расстояние по хорде между соседними прокладками в наружных рядах реактора составляет 15-18 сантиметров, при этом стрела провеса провода может оказаться больше толщины прокладки. Причем, из-за возможности смещения витков могут существенно снизиться качество опрессовки обмоток и надежность их фиксации. В результате возможен пробой междурядной изоляции провода фазной обмотки с образованием в обмотке короткозамкнутого витка, что приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик и недостаточной надежности работы реактора.
Технический результат заявляемого решения - значительное снижение трудоемкости изготовления и расхода основных материалов, габаритных размеров, а именно: обмоточного провода, изоляционных материалов, диаметра и высоты обмоток, расстояния между обмотками, а также повышение надежности и ремонтопригодности.
Достигается технический результат тем, что в трехфазный токоограничивающий реактор для устройства плавного пуска электродвигателя, содержащий торцевые и боковые конструкционные элементы, вертикально установленные фазные обмотки, провода которых намотаны параллельно их оси рядами, с установленными между ними прокладками, формирующими вентиляционные каналы, опорные элементы, элементы опрессовки, введены амортизаторы, стягивающие элементы, изоляционные цилиндры, на каждом из которых расположена соответствующая фазная обмотка, выполненная, по крайней мере, в форме многогранника, зафиксированная в торцевых зонах по наружной и внутренней поверхностям через амортизаторы стягивающими элементами, причем, опорные и торцевые элементы, выполненные, по крайней мере, 4-х лучевыми и соединенные крестообразно, зафиксированы между боковыми конструкционными элементами. Стягивающие элементы выполнены в виде планок с элементами фиксации. Опорные элементы в виде пластин дополнительно содержат крестовины с амортизаторами. Фазные обмотки установлены на крестовины опорных элементов через амортизаторы. Между торцевыми элементами и фазными обмотками расположены крестовины с амортизаторами. Амортизаторы, выполнены, по крайней мере, из кремнийорганической резины. Боковые конструкционные элементы выполнены, по крайней мере, в виде сдвоенных реек. Сечение провода фазных обмоток выбрано из условия его допустимого нагрева за время пуска электродвигателя. Расстояние между фазными обмотками выбрано с учетом их взаимной индуктивности из условия требуемой индуктивности реактора, обеспечивающее необходимый изоляционный уровень для соответствующего класса напряжения. Провод фазных обмоток выполнен из материала с высокой теплоемкостью, по крайней мере, из алюминия. Элементы фиксации выполнены в виде шпилек. Шпильки выполнены, по крайней мере, из черного металла. Торцевые элементы выполнены, по крайней мере, из изоляционного материала.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что по сравнению с прототипом достигнуты высокие технико-экономические показатели за счет снижения трудоемкости изготовления реактора и значительного сокращения расхода материалов. Уменьшены габаритные размеры всех составных частей реактора, упрощена конструкция реактора. За счет уменьшения диаметра фазных обмоток удалось снизить усилия взаимодействия между фазными обмотками, что позволило уменьшить расстояние между ними и существенно снизить расход материалов. За счет выполнения опорных элементов в виде пластин и крестовин с амортизаторами, торцевых элементов, соединенных крестообразно и выполненных 4-х лучевыми из стеклопластика, удалось создать более легкую, прочную и надежную конструкцию по сравнению с реактором принятым за прототип.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где на Фиг.1 изображен вид спереди реактора, Фиг.2 - вид сверху.
Реактор содержит: торцевые элементы - 1, 2; боковой конструкционный элемент - 3, фазная обмотка - 4; прокладки - 5; опорные элементы - 6, 7; элементы опрессовки - 8; изоляционный цилиндр - 9; стягивающие элементы - 10, 11; амортизаторы - 12.
Вертикально расположенные фазные обмотки 4 выполнены в форме многогранника, провода в них намотаны параллельно их оси рядами, с установленными между ними прокладками 5, формирующими вентиляционные каналы. Каждая фазная обмотка 4 расположена на отдельном изоляционном цилиндре 9. Междурядные прокладки 5, изготовлены из изоляционного материала, например, стеклотекстолита. Между соседними прокладками 5 провод намотан по прямой линии, образуя многогранник, обеспечивающий прочное натяжение обмоточного провода, исключающее его провисание до соседнего ряда при возникновении больших электродинамических усилий в фазных обмотках. Каждая фазная обмотка 4 стянута через амортизаторы 12 по торцевым зонам, стягивающими элементами 10, 11 выполненными в виде планок (10), изготовленных из изоляционного материала, и элементов фиксации (11). Стягивающие элементы 10 установлены по внутренней и внешней сторонам фазной обмотки. На каждую стянутую фазную обмотку 4 устанавливаются с двух сторон через амортизаторы 12 опорные элементы 7, выполненные в виде крестовин (7), образуя фазный модуль. Между крестовинами опорных элементов 7 соседних фазных обмоток 4 устанавливаются пластины опорных элементов 6. Расстояние между фазными обмотками 4 (высота амортизатора 12, крестовины 7 и высота пластины 6) выбрано с учетом их взаимной индуктивности из условия требуемой индуктивности реактора. Это расстояние обеспечивает также минимально необходимый изоляционный уровень для соответствующего класса напряжения.
Трехфазная конструкция реактора собирается в следующем порядке: на нижний торцевой элемент 2 устанавливаются вертикально три фазных модуля. Между ними устанавливаются опорные элементы 6, а на верхний фазный модуль устанавливается верхний торцевой элемент 1. При этом торцевые элементы 1, 2 устанавливаются на опорные элементы 7 трех фазных модулей. Концы верхнего и нижнего торцевых элементов 1, 2 фиксируются между боковыми конструкционными элементами 3. Таким образом, осуществляется вертикальная стяжка конструкции реактора. На верхнем торцевом элементе 1 установлены элементы опрессовки 8. Их регулировкой осуществляется опрессовка через верхний опорный элемент 7 всех фазных обмоток 4. Затем производится фиксация опорных элементов 7 между боковыми конструкционными элементами 3.
Опорные и торцевые элементы 6, 7, 1, 2 соединенные крестообразно и выполненные, по крайней мере, 4-х лучевыми зафиксированы между боковыми конструкционными элементами 3, выполненными, по крайней мере, в виде сдвоенных реек. Опорные и торцевые элементы 6, 7, 1, 2 выполнены, по крайней мере, из изоляционного материала. Амортизаторы 12, выполнены, по крайней мере, из кремнийорганической резины.
Реактор включен во входной цепи УПП и предназначен для защиты тиристоров устройства в аварийном режиме. Выходы УПП подключены к обмоткам электродвигателя. В процессе пуска УПП плавно увеличивает частоту и величину напряжения на электродвигателе, разгоняя его до номинальной скорости. Затем включается выключатель и подключает электродвигатель напрямую к питающей сети. При этом УПП выключается. Время плавного пуска электродвигателя не превышает 20 секунд. В установившейся практике предусматривается возможность поочередного пуска от одного устройства трех электродвигателей подряд, с паузами между пусками по 5 минут. Таким образом, общее время работы не превышает 60 секунд.
Сечение провода фазной обмотки зависит от множества факторов:
- нагрева провода за время пуска и охлаждения во время пауз;
- нагрева провода аварийным током устройства;
- изменения удельного сопротивления провода из-за его нагрева;
- зависит от свойств материала провода, от формы обмотки и от количества прокладок между рядами (увеличение количества прокладок уменьшает стрелу провеса провода);
- от величины электродинамических усилий и времени их действия в аварийном режиме. Эти усилия зависят от размеров обмоток и от расстояния между ними. Размеры обмотки зависят, в свою очередь, от сечения провода, а продолжительность максимальных электродинамических усилий зависит от величины активного сопротивления обмотки.
Учитывая многокритериальность решаемой задачи, выбор размеров элементов конструкции реактора и оптимального сечения провода фазной обмотки производился с помощью имитационного компьютерного моделирования тепловых, электромагнитных и электродинамических процессов с использованием программы Elcut 5.5.
С уменьшением сечения провода увеличивается активное сопротивление фазной обмотки, что ведет к значительному уменьшению постоянной времени затухания переходного процесса тока короткого замыкания (в опытном образце реактора указанная постоянная времени уменьшилась почти в 4 раза по сравнению с прототипом). Ток значительно быстрее спадает от ударного значения до установившегося (разница в 2,54 раза). Известно, что мгновенные значения усилий, как внутри обмоток, так и между обмотками, изменяются по сложным законам, но прямо пропорционально длительности и квадрату мгновенного значения тока. Следовательно, конструкция реактора и провод фазных обмоток меньшее время испытывают максимальные усилия, что способствует упрощению конструкции и уменьшению сечения провода фазных обмоток. Это обстоятельство особенно важно для реакторов с маленьким сечением провода (следует заметить, что в реакторах, работающих в длительном режиме, сечение провода в несколько раз выше, чем в предлагаемом решении, поэтому проверка провода на динамическую устойчивость обмотки при аварийных токах носит вспомогательный характер).
В предлагаемой конструкции реактора торцевые элементы выполнены 4-х лучевыми из стеклопластика, для каждой фазной обмотки предназначен отдельный изоляционный цилиндр, уменьшены размеры пластин опорных элементов, изоляционных цилиндров, боковых конструкционных элементов. Эти преимущества по сравнению с прототипом позволили значительно снизить расход изоляционных материалов. Для снижения удельного давления на провод фазных обмоток опорные элементы дополнительно содержат широкие крестовины с амортизаторами. Опорные элементы соединены крестообразно и закреплены между боковых конструкционных элементов, что позволило перераспределить усилия между обмотками на конструкцию реактора, сделать ее прочной при минимальном расходе стеклопластика. Оптимизация сечения провода обмотки в соответствии с параметрами режима пуска электродвигателя позволила значительно уменьшить расход провода, в том числе за счет уменьшения диаметра фазной обмотки.
Уменьшение диаметра фазных обмоток, существенно снизило величину электродинамических усилий между обмотками. Это позволило уменьшить расстояние между фазными обмотками до величины, определяемой испытательным напряжением между обмотками. Также отметим, что уменьшение диаметра фазной обмотки снижает длину стрелы провеса провода, что увеличивает устойчивость провода к электродинамическим усилиям в обмотке и позволяет уменьшить сечение провода. Этому же способствует намотка фазной обмотки в виде многоугольника: провод прочно натянут, в нем действуют силы на разрыв, устойчивость к которым у него в несколько раз больше чем к усилиям на изгиб. Кроме уменьшения сечения провода это (уменьшение диаметра обмоток и расстояния между ними) позволяет уменьшить расход изоляционных материалов в обмотках и между ними.
Так как время плавного пуска электродвигателя и механизма не превышает обычно 60 секунд, то в этот период происходит в основном только нагрев провода, его охлаждение невелико. Поэтому выбор материала провода с высокой теплоемкостью (с высокими аккумулирующими свойствами тепла), позволяет дополнительно снизить сечение провода. Следует отметить, что выбор алюминия здесь обусловлен не его стоимостью, как в иных реакторах или трансформаторах, а более высокими его, в сравнении с медью, теплоемкостью и модулем Юнга. Нагрев шпилек за время пуска незначителен, изготовление их из черного металла позволяет уменьшить стоимость реактора.
В предложенной конструкции реактора упрощается технология изготовления реактора, снижается расход материалов и себестоимость реактора в целом. Не требуются специальные оборудование или инструмент для его изготовления.
Изготовлен опытный образец реактора и проведены его испытания, которые показали, что предлагаемая конструкция проста и надежна в эксплуатации, обладает малыми габаритными размерами и массой, низкой трудоемкостью изготовления, ремонтопригодностью.
Заявляемый реактор успешно прошел испытания и в ближайшее время планируется его серийный выпуск.