УПРАВЛЯЕМЫЙ ТОКООГРАНИЧИВАЮЩИЙ РЕАКТОР (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим токоограничивающим реакторам, и предназначено в частности для использования в электроэнергетических сетях переменного тока.
Известным техническим решением токоограничивающего реактора является управляемый насыщающийся электромагнитный реактор: {[1], М.А.Розенблат. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники. «Наука», М., 1966. Рис.7-1д, стр.239; Рис.7-4, стр.248}. Недостатком такого ограничивающего реактора является усложнение конструкции при решении задачи получения малого значения падения напряжения на реакторе в нормальных рабочих режимах, т.е. получения высокого качества электроэнергии.
Известны также реакторы: {[2] авторское свидетельство СССР №1164795, 1985}; {[3] патент РФ №2132581, 1998}, в которых фазная обмотка секционирована, то есть разделена на две обмотки полуфазы. Эти реакторы обладают теми же недостатками что и реактор [1].
Известны токоограничивающие реакторы: {[4] В.Р.Raju and et al. A CURRENT LIMITING DEVICE USING SUPERCONDUCTING D.C. BIAS. APPLICATI-ONS AND PROSPECTS. IEEE Tr., No. 9, September 1982}; [5] US Pat. 4045823, 1977}; {[6] US Pat. 3671810, 1972}; {[7] US Pat. 4117524, 1978};
{[8] US Pat. 4257080, 1981}. Они также обладают недостатками вышеуказанных реакторов.
Наиболее близким техническим решением токоограничивающего реактора, принятым в качестве прототипа, является реактор, выполненный как изложено в публикации [9], Pub. No.: US 2006/0158803 Al, Jul. 20, 2006.
Этот реактор содержит магнитопровод, по меньшей мере одну сетевую фазную обмотку, разделенную на две идентичные обмотки полуфазы, размещенные каждая на своем участке магнитопровода и соединенные электрически последовательно встречно между фазным выводом источника переменного напряжения и нагрузкой, а также управляющие обмотки, включенные последовательно согласно и подключаемые к регулируемому источнику постоянного напряжения.
Недостатком этого ограничивающего реактора является недостаточно низкое падение напряжения на реакторе и соответственно низкое качество электроэнергии в нормальных рабочих режимах, высокие масса и габариты.
Целью изобретения является повышение качества электроэнергии за счет обеспечения низкого падения напряжения на реакторе в нормальных рабочих режимах без ухудшения массогабаритных показателей.
Это достигается тем, что в управляемом с помощью обмотки управления, подключаемой к регулируемому источнику постоянного тока, токоограничивающем реакторе, содержащем магнитопровод и сетевую фазную обмотку, разделенную на две идентичных обмотки полуфаз, соединенных между собой последовательно встречно и включаемых между фазным выводом источника переменного тока и нагрузкой внешней цепи, указанные обмотки полуфаз разделены на равное число секций. Каждая секция размещена на отдельном участке магнитопровода. При этом секции обмотки каждой полуфазы могут соединяться между собой параллельно, или соответствующие секции обмоток разных полуфаз соединяются попарно последовательно встречно, образуя секционные ветви, соединяемые параллельно и включаемые между
фазным выводом источника переменного тока и нагрузкой внешней цепи.
Для пояснения существа изобретения рассмотрим токоограничиваю-щий реактор с тремя секциями обмоток полуфаз.
На фиг.1 приведен вариант схемы одной фазы предлагаемого управляемого токоограничивающего реактора с параллельным соединением секционных обмоток каждой полуфазы;
на фиг.2 приведен вариант схемы с попарным встречно последовательным соединением соответствующих секционных обмоток полуфаз;
на фиг.3 приведена осциллограмма переходного процесса ограничения тока короткого замыкания (КЗ) в цепи нагрузки.
Сетевая фазная обмотка управляемого токоограничивающего реактора 1 разделена на две полуфазы 2, 3. Обмотка полуфазы 2 разделена на секции 4, 5, 6; обмотка полуфазы 3 разделена на секции 7, 8, 9. Каждая секция размещена на своем участке магнитопровода, например, на своем стержне в фазном или трехфазном магнитопроводе. В варианте, представленном на фиг.1, обмотки 4, 5, 6 и обмотки 7, 8, 9 соединены между собой параллельно, образуя две параллельные группы обмоток полуфаз, соединенные между собой последовательно встречно, и включаются между сетью 16 и нагрузкой 17.
В варианте, представленном на фиг.2, секция 4 обмотки полуфазы 2 соединена последовательно встречно с секцией 7 обмотки полуфазы 3; секция 5 обмотки полу фазы 2 соединена аналогично с секцией 8 обмотки полуфазы 3, а секция 6 полуфазы 2-е секцией 9 полуфазы 3. Образованные таким образом три ветви сетевых обмоток соединяются параллельно для включения между сетью 16 и нагрузкой 17.
В приведенных вариантах схем реактора обмотки управления 10, 11, 12, 13, 14, 15 индивидуальны и располагаются на каждом стержне. Обмотки управления 10, 11, 12 полуфазы 2, и 13, 14, 15 полуфазы 3 соединяются последовательно согласно. Сетевые обмотки полуфаз соединяются последовательно встречно между сетью 16 и нагрузкой 17.
Обмотка управления может выполняться общей на полуфазу (тогда трехфазный реактор имеет шесть обмоток управления), или обмотка управления выполняется общей на фазу (тогда в трехфазной конструкции реактора имеется три обмотки управления), или обмотка управления выполняется общей на всю трехфазную конструкцию реактора (тогда обмотка управления одна на весь трехфазный реактор). Все эти варианты выполнения обмоток управления известны и приведены в упомянутых ранее публикациях. Обмотки (обмотка) управления питаются от источника электроэнергии постоянного тока 18.
Схемы соединения сетевых обмоток обоих вариантов схемы (фиг.1 и фиг.2) обладают идентичными внешними электрическими характеристиками, поскольку принцип работы реакторов по обеим схемам соединения обмоток остается неизменным. Под электрическими характеристиками понимается зависимость индуктивности реактора от тока сети и тока управления.
Принцип работы управляемого токоограничивающего реактора заключается в следующем.
Сетевые обмотки выполняют роль индуктивности, которая изменяется в зависимости от величины тока сети. Пока ток сети меньше заданной величины - величины тока ограничения - реактор находится в полностью насыщенном состоянии, падение напряжения на нем минимальное (обычно не более 1-2% от номинального напряжения сети), что не ухудшает качества электроэнергии на нагрузке. Величина тока ограничения, определяемая током управления, протекающим по обмоткам (обмотке) управления, выбирается обычно больше на 10-200% от максимально возможного нормального тока нагрузки. Поэтому во всех нормальных рабочих режимах реактор практически не оказывает воздействия на работу нагрузки и сети. Когда в аварийных режимах ток сети имеет тенденцию превысить величину тока ограничения (что происходит при коротких замыканиях в цепи нагрузки - КЗ и при аварийных перегрузках - ПГ), реактор выходит из насыщения, его индуктивность значительно
увеличивается, что предотвращает нарастание аварийного тока выше заданной величины, практически равной величине тока ограничения.
Предложенное соединение обмоток полуфаз обеспечивает низкое падение напряжения в нормальных рабочих режимах и безынерционное ограничение тока в аварийных режимах. Причем в аврийных режимах функцию ограничения тока полуфазы выполняют поочередно - один полупериод напряжения сети одна полуфаза, а второй полупериод - вторая.
Параметры любого токоограничивающего реактора определяются с учетом требований двух следующих режимов работы реактора:
- Требование I. Аварийные режимы: КЗ - короткие замыкания, ПГ - аварийные перегрузки, сопровождающиеся недопустимо большими токами. В этих режимах реактор должен воспринимать на себя практически все напряжение сети, чтобы ограничить величину аварийного тока на заданном уровне. Величина тока ограничения обычно выбирается на 10-200% выше максимального нормального рабочего тока.
- Требование П. Нормальные рабочие режимы. В этих режимах требуется, чтобы падение напряжения на реакторе не превышало минимально возможных величин - обычно, не более 1-2% от номинального фазного напряжения сети.
m
Этими двумя требованиями определяются: количество витков W каждой сетевой обмотки, сечение каждого стержня S магнитопровода (это главные параметры реактора) и др.
Два расчетных требования антагонистичны один другому:
- Требование I. В аварийных режимах реактор должен иметь большую (максимально возможную) величину индуктивности,
- Требование П. В рабочих режимах реактор должен иметь минимально допустимую величины индуктивности.
В качестве иллюстрации эффективности секционирования, как средства достижения целей изобретения, выберем тороидальную конструкцию реактора. Выбор данной конструкции реактора не нарушает физической природы
рассматриваемых процессов и, в общем смысле, не противоречит предмету изобретения, но позволяет более ясно для понимания изложить существо изобретения. Согласно {[10], П.Л.Калантаров, Л.А.Цейтлин Расчет индуктивностей. Л., «Энергоатомиздат», 1986, сс.169, 190 и 369}, а также {[11], С.Г.Калашников. Электричество. М., «Наука», 1985, сс.190, 191 и 211} индуктивность L реактора определяется выражением:
L=,(1)
0
-7
2
2
где L - индуктивность реактора, μ=4π×10 Гн/м - магнитная постоянная, μ - магнитная проницаемость материала стержня, W - число витков обмотки, d - диаметр среднего витка обмотки, D - средний диаметр тороида. Обычно d≪D. Тогда из (1) следует:
L=. (2)
Согласно (2), чтобы получить наибольшую величину L (для аварийных режимов), необходимо увеличивать μ, W и d. А для получения небольшой величины L (для нормальных рабочих режимов), необходимо выбирать D большой величины, а μ, W и d - уменьшать.
m
Аварийные режимы работы реактора требуют выбора материала магнитопровода (максимально возможного значения μ), требуемой площади поперечного сечения стержня (S≈) и необходимого числа витков обмотки (W). Из закона электромагитной индукции ([11], с.182) следует: Ψ=, (3)
m
m
где Ψ=SВW - потокосцепление (Ψ), равное произведению площади поперечного сечения стержня (S), индукции В и числа витков обмотки W. Интервал перемагничивания полуфазы токоограничивающего реактора длится половину периода напряжения сети. С учетом этого интервала из (3) получаем:
m
B×S×W=, (4)
m
m
где U - амплитуда синусоиды фазного напряжения сети в вольтах, ω=2πF=314,159 p/с, F=50 Гц. Выражение (4), при выбранных μ и W, позволяет определить диаметр среднего витка обмотки тороида d (поскольку S≈).
В рабочих режимах токоограничивающий реактор находится в полностью насыщенном состоянии (μ=1), его индуктивность определяется выражением (2) и она должна быть минимально возможной - удовлетворяющей требованиям минимального падения напряжения. Для этого средний диаметр тороида D должен выбираться достаточно большим, поскольку число витков W и средний диаметр витка обмотки d уже выбраны из условий аварийного режима и выражаются конечными величинами. Увеличение D выражается в существенном повышении массы и габаритов токоограничивающего реактора известной конструкции.
Предлагаемый реактор с секционированием полуфазы реактора и предлагаемой схемой соединения его сетевых секционных обмоток (параллельное согласное соединение секционных обмоток полуфаз) позволяет получить малую величину индуктивности полуфазы реактора L (а, следовательно фазы и всего реактора в целом), поскольку, согласно теории электротехники [11], действительно следующее выражение:
L=, (5)
n
n
где L - индуктивность полуфазы реактора, L - индуктивность секции полуфазы реактора, n - количество секций. Из (5) следует, что индуктивности секций реактора L могут быть выбраны довольно большой величины и, поэтому, с довольно малым диаметром тороида D и, следовательно, с довольно малыми массой и габаритами. И, тем не менее, за счет выбора достаточного количества секций n достигается возможность получить требуемую малую величину результирующей индуктивности L.
Ниже приведены результаты расчетов, которые показывают, что при отсутствии предлагаемого секционирования необходимо создавать громоздкий реактор (масса активных материалов реактора оценивается величиной 2719 т, габариты трехфазной конструкции при наружном исполнении 25 м×25 м×3,5 м (h)).
Таким образом секционирование полуфаз реактора позволяет существенно снизить массу и габариты реактора при сохранении малой величины индуктивности в рабочих режимах. В принятом к рассмотрению расчетном примере предлагаемого реактора с количеством секторов n=10, общая масса предлагаемого трехфазного токоограничивающего реактора оценивается величиной 60 т, общие габариты при наружной установке реактора 6 м×6 м×3 м (h). Предлагаемый реактор имеет низкое значение падения напряжения в рабочих режимах и значительно более низкие массу и габариты, чем известные токоограничивающие реакторы. Цель изобретения достигнута.
В качестве иллюстрации функционирования предлагаемого токоограничивающего реактора на Фиг.3 приведена осциллограмма переходного процесса ограничения тока КЗ в цепи нагрузки. Компьютерная математическая модель составлена с использованием пакета программ MATLAB Simulink. В исходном режиме нагрузка фидера соответствует максимальному рабочему режиму. В момент t=19,91 с происходит КЗ. На осциллограмме представлены:
us - напряжение сети в вольтах;
is - ток сети в амперах.
Как следует из осциллограммы, ограничивающий реактор безынерционно, без появления сверхтоков осуществляет ограничение тока на заданном уровне. Подтвержден желаемый результат об эффективности токоограничивающих свойств предлагаемого реактора
Для подтверждения эффективности предлагаемого технического решения ниже приведены результаты расчетов, которые показывают, что при отсутствии предлагаемого секционирования необходимо создавать громоздкий реактор (масса активных материалов реактора оценивается величиной 2719 т, габариты трехфазной конструкции при наружном исполнении 25 м×25 м×3,5 м (h)).
Исходные требования к реакторам:
Сеть 220кВ, нормальный рабочий ток нагрузки максимальный 1кА (1414 А ампл.), ток КЗ сети 15 кА (21213 А ампл.), необходимо ограничить ток до уровня 2 кА+/-20% (2828+/-565,6 А ампл.). Согласно этим требованиям ограничивающий реактор должен иметь в рабочем режиме индуктивность менее 4,05 мГн, а в режиме ограничения - более 40,5Гн. В качестве сердечников выбраны тороиды из материалов с ППГ (например, типов 50НП или 3407, 3408) без немагнитных зазоров.
*Результаты расчета известного варианта выполнения реактора (прототипа): W=200 вит., D=10 м, d=1,6 м, масса трех фаз 2700 тн, габариты 25 м×25 м×3,5 м(h), (наружная установка).
**Результаты расчета предлагаемого варианта выполнения реактора: n=10, W=3ООО вит., D=2 м, d=0,13 м, масса 60 тн, габариты 6 м×6 м×3м(h), (наружная установка).
***Из сопоставлении полученных результатов следует, что секционирование стержней и обмоток полуфаз реактора, предлагаемое в настоящей заявке, является эффективным средством получения малого падения напряжения на реакторе, высокого качества электроэнергии в рабочих режимах, а также получение малых значений массы и габаритов реактора.